JP2873443B2

JP2873443B2 - 開水路用超音波流量測定装置、開水路用超音波流量測定方法、及び開水路用超音波流量測定装置を修正しテストする方法

Info

Publication number: JP2873443B2
Application number: JP7342767A
Authority: JP
Inventors: ソー，チャンハク
Original assignee: CHANMIN CO Ltd
Current assignee: CHANMIN CO Ltd
Priority date: 1995-12-18
Filing date: 1995-12-28
Publication date: 1999-03-24
Anticipated expiration: 2015-12-28
Also published as: US5780747A; DE19548433A1; JPH09189590A; DE19548433C2

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、開水路用超音波流
速、流量測定技術と関連されたもので、大河川、大人工
開水路の流量を測定するのに主に活用される開水路用超
音波流量測定装置、開水路用超音波流量測定方法、及び
開水路用超音波流量測定装置を修正しテストする方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】開水路の流量を測定するために、超音波
にて水流れの水平平均流速を測定して、流量を算出する
方法が広く知られている。このような超音波流量測定装
置は、水流れの水平平均流速測定回線（channel）が一
つにて成されたものもあり、多回線（multi-channel）
にて成されたものもある。

【０００３】例えば、Ｕｌｔｒａｆｌｕｘ社において、
開水路用多回線超音波流量計ＵＦ−２１００００が開発
され販売されている。英国ロンドン市を流れるテームス
江下流にも超音波流量測定所がある。

【０００４】図１と図２に、広く知られている前記した
開水路超音波流量測定の基本原理図を図示した。図１に
示したところのように、河川の側面（麓）に沿って一定
なる間隔ｈにて、超音波発信受信子（以後転換器（Tran
sducer）と略称する）（１_A、１_B）、（２_A、２_B）、
（３_B、３_B）・・・を水流れ方向に対して、一定なる角
度ψ_iを成すべく設置されている。

【０００５】図２に従って、水平線上の平均流速測定方
法を説明すれば次の通りである。転換器（１_A）におい
て、転換器（１_B）を向いて超音波パルスを発射する瞬
間から、超音波パルスが転換器（１_B）に到達する時ま
での時間ｔ_ABを測定し、同時に、転換器（１_B）におい
て（１_A）を向いて、超音波パルスを発射して、前記し
た時間ｔ_BAを測定する。

【０００６】超音波パルスが（１_A）から（１_B）に、更
に、（１_B）から（１_A）に伝播する時間ｔ_AB、ｔ_BAは、
次と同様であると見る。

【数１２】（１）ここで、Ｌは転換器（１_A）から（１_B）間の間隔、Ｃは
河川水における超音波流速、

【数１３】、水平線上における平均流速、υは超音波パルスが伝播
する軌道線上における流速成分である。

【０００７】このように仮定し、流速

【数１４】を次の式によって計算する。（Ｕｌｔｒａｆｌｕｘ社Ｕ
Ｆ２１００流量計）。

【数１５】（２）

【０００８】このような流速計算式にて流速を測定する
方法を、周波数差方法と言う。式（２）においてｄ／Ｌ
＝cosψである。

【０００９】このように流れの多くの水深において、水
平平均流速を測定し、これに基づいて河川の流量を次式
にて計算する。

【数１６】（３）ここで、Ｂは測定する水平線における河川水流れの幅で
ある。普通、ｎ＝１０であれば、十分な正確度で河川流
量を測定するものと見ている。流量Ｑの計算式は多様で
あり、式（３）よりもっと正確な式もある。いかなる流
量計算式を使用するとしても、基本測定は、多くの水深
における水平平均流速の測定であり、流量測定誤差の大
小は流速測定誤差が大きく左右するものである。

【００１０】前記した周波数差流速測定式（２）の外
に、時間差方法式も広く利用されている。時間差式は次
の通りである。

【数１７】超音波流速Ｃの代わりに、ｔ_AB・ｔ_BA＝Ｌ²／Ｃ ² 、cos
ψ＝ｄ／Ｌの関係式を参酌したら次の様になる。

【００１１】

【数１８】（４）式（２）と式（４）は全く同一である。式４で見る様に
Ｌ²の項があるのでＬ測定誤差δ_Lが流速測定誤差に２
δ_Lが加算するのである。

【００１２】このため、Ｌを正確に測定しなければなら
ないが、転換器が開水路の水の中に配置されるので、直
接にはどの様な精密距離測定器でも測定することは出来
ない。Ｌの測定誤差のため水平平均流速測定誤差が大き
くなる場合がたびたびある。

【００１３】本発明は、開水路河川の水中に配置されて
いる転換器間の距離Ｌを超音波で流量計自身が正確に測
定できるようにした開水路用超音波流量測定方法と装
置、及び開水路用超音波流量測定装置の修正とテスト方
法を提案するものである。

【００１４】本発明を詳細に説明する前に超音波の水流
での伝播軌道に対して説明しなければならない。図３
に、転換器１_A（又は１_B）から転換器１_B（又は１_A）に
到達する超音波パルス軌道を図示した。該図面に図示し
たところのように、Ｌ線方向へ発射された超音波ビーム
は、点線にて示したところのように、転換器（１_A）又
は転換器（１_B）に到達せずに、地点ａ又はｂに到達す
る。

【００１５】一方、転換器（１_B）に転換器（１_A）から
発射された超音波パルスは軌道Ｌ1を沿って到達し、又
転換器（１_B）から発射した超音波パルスは、軌道Ｌ₂に
沿って転換器（１_A）に到達するものである。軌道Ｌ₁と
Ｌ₂は同一でなくＬ₂＞Ｌ₁である。

【００１６】河川超音波流量計を設置する時、若しも、
転換器の指向性（directional patーtern）が狭い場合、
図２に示したところのように、転換器をＬ線と一致され
るべく、即ち、転換器（１ _A ）に対し転換器（１ _B ）を水
流の方向と角ψをなすように設置すれば、受信信号が弱
くなり、角ψよりもっと大きくなるように設置すれば、
（図４参照）受信信号が大きくなるということは経験的
に知られている。このような現象が、まさに超音波パル
ス伝播軌道が、図３に示したところのようになるとのこ
とを証明するものである。

【００１７】実際の超音波伝播時間は次の様である。

【数１９】ここでＬ₁、Ｌ₂は幾何学的な直線Ｌでなく伝播軌道の長
さである。又、Ｌ₂＞Ｌ₁になるのでｔ_BA＞ｔ_ABになるの
である。

【００１８】又、Ｌ₁とＬ₂は

【数２０】になる。ここでＢは水路の幅、

【数２１】でもっとも速く到達する超音波の発射角である。

【００１９】また、次のような関係式が成立することも
証明されている。

【数２２】（５）ここで

【数２３】は線上の流速成分である。式（５）から式（４）が導か
れたのである。

【００２０】式（５）からＬは次のようになる。

【数２４】（６）

【００２１】本発明では幾何学的距離を測定するのでは
なく超音波伝播距離Ｌ₁又はＬ₂を超音波で測定するので
ある。

【００２２】そうなので、若しυが大きい時、υ／Ｃを
無視して、Ｌ ₁ ＝Ｌとおいたならば、少ないけれども誤
差が発生する。

【００２３】例えば、υ＝１m/s の時とυ=６m/s の時
（流速が高い開水路である）を対比して見たら次のよう
になる。

【数２５】（超音波流速Ｃ＝１４２５m/sとした時）

【００２４】従って、υ＝１．０m/s の時は、Ｌの測定
誤差が０．０７％になるので、これを無視することは出
来るが、υ＝６m/sの時は、０．４２％となり、流速測
定誤差が２×０．４２＝０．８４％に増加することにな
り、これを無視することはできない。本発明では流速が
高い時もＬを正確に測定できる方法も提供するのであ
る。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、開
水路用超音波流量測定において、転換器間の距離を正確
に測定して所定式にて水平平均流速を算出することによ
り、流量測定誤差を顕著に減少せしめる、開水路用超音
波流量測定装置及びその方法を提供することに、その主
な目的がある。

【００２６】本発明の他の目的は、超音波パルスの伝播
軌道の距離を測定して、所定式にて流速を測定するよう
になす、開水路用超音波流量測定装置の修訂とテストの
方法を提供することにある。

【００２７】

【課題を解決するための手段】本発明による装置は、一
定の少ない間隔に配置された２個の第１、第２の転換器
が一体になっている複合転換器と、これから所定距離Ｌ
に配置された第３の転換器で構成した多数の水平平均流
速測定回線と；多数の前記第１、第２及び第３の転換器
が所定間隔にて設置されるべく成した設置台と；前記第１、第２及び第３の転換器の超音波パルスを発生
せしめる、超音波パルス発振機と；前記超音波パルスを、前記第１、第２及び第３の転換器
に印加し、それらより、超音波伝播パルスを順次に受信
して、出力すべくなすスイッチング機能を有する交換機
と；前記交換機より信号を受信して波形整形する正形波成型
部と；前記第１、第２及び第３の転換器の中のいずれか一つの
転換器と、他の転換器との間で超音波パルスが伝播する
時間間隔を測定する時間間隔測定器と：所定周期のクラック信号を発生せしめる、同期信号発生
機を設け、前記時間間隔測定器よりの信号を受信して、
断面平均流速を算出して流量を測定する流速流量演算制
御装置にて構成される。

【００２８】ここで、複合転換器は、外部のパルス発振
源に連結された中心部が空洞となっている環状形（Annu
lar ring）の第１のケース内に収納された第１の転換器
と、第２のケース内に収納された第２の転換器と、所定
の長さを有するパイプとを有し、前記パイプの末端が前
記第１ケースの中心部に固定され、前記パイプの先端に
第２のケースが所定間隔ｌに固定されている。

【００２９】本発明の開水路用超音波流量測定方法は、
第１の転換器（１ _Ai ）と、この第１の転換器（１ _Ai ）と
所定間隔を置いている第２の転換器（１ _Ci ）とを有する
複合転換器を、水路の一辺の側面（麓）に沿って多数設
置すると共に、水路の他の辺の側面（麓）に沿って第３
の超音波転換器（１ _Bi ）を多数設置することで、多数の
水平流速測定回線を構成するステップと、前記の第１の
転換器（１ _Ai ）または第２の（１ _Ci ）と、第３の転換器
（１ _B1 ）との間で、その受信信号の振幅が最大となるよ
うにそれらの位置（発射角）を調節するステップと、前
記第１の転換器（１ _Ai ）と第２の転換器（１ _Ci ）とから
前記第３の転換器（１ _Bi ）に向かって超音波パルスを発
射して、それぞれから伝播される超音波の伝播時間ｔ
_AiBi 、ｔ _CiBi を測定して前記第１の転換器（１ _Ai ）と第
３の転換器（１ _Bi ）間の距離Ｌiを測定するステップ
と、前記第３の転換器（１ _Bi ）から超音波パルスを発射
して前記第１の転換器（１ _Ai ）まで伝播する伝播時間ｔ
_BiAi を測定し、距離Ｌi線上で水平平均流速

【数２６】を測定するステップと、前記のように夫々の深さで水平
平均流速

【数２７】を測定し、その結果から水平平均流速分布曲線を作成し
て総平均流速を求め、これに流れ断面Ｓを乗じて流量を
求めるステップとを含んでいる。

【００３０】また、本発明が提案するところの、開水路
用超音波流量測定装置の修正とテストの方法は、所定間
隔ｌをおいて離れた複合転換器の第１及び第２の転換器
を、水槽の中で各々の地点Ａ及びＣに置き、また第３の
超音波転換器を地点Ｂに置いて、前記第１及び第２超音
波転換器より第３の転換器へ超音波パルスを発射して、
その超音波パルスの伝播時間ｔ _AB 及びｔ _CB を測定するス
テップと、地点Ｂにある第３の転換器を所定距離だけ移
動させて地点Ｂ′に置き、前述の如く、前記第１及び第
２超音波転換器より第３の転換器へ超音波パルスを発射
して、その超音波パルスの伝播時間ｔ _AB' 及びｔ _CB' を測
定して、間隔ｌを測定すると同時に、時間間隔測定装置
の時間測定誤差を修正しテストするステップとを含んで
いる。

【００３１】従って、本発明によれば、超音波を用いて
河川、開水路又は、規模が大きい閉水路の流量計を構成
するときに、直接測定する水流れの多くの断面線上の平
均流速測定の誤差を除去して、流速測定誤差を顕著に縮
小せしめ、流量測定誤差も減少せしめることができる。

【００３２】特に、本発明によれば、河川又は他の開水
路、閉水路両面に配置されている転換器間の間隔の長さ
を測定する必要がなく、流速測定毎に流量計自体が測定
するようになされているので甚だ便利である。

【００３３】

【発明の実施の形態】本発明を添付図面に基づいて詳細
に記述すれば、次の通りである。図４に示すように、開
水路の一定なる深さに該当される、開水路両面に、第
１、第３の転換器１ _A と１ _B が配置され、又、超音波パル
スが発射される方向に沿って、前記第１の転換器１ _A と
距離ｌをおいて第２の転換器（１ _C ）を配置する。流速
方向へ、第１の転換器（１ _A ）が発射した超音波パルス
が第３の転換器（１ _B ）に到達する時間ｔ _AB 、又、第２
の転換器（１ _c ）が発射して第３の転換器（１ _B ）に到達
する時間ｔ _CB 、さらに、第３の転換器（１ _B ）が発射し
た超音波パルスが第１の転換器（１ _C ）と第２の転換器
（１ _A ）に到達する時間ｔ _BC とｔ _BA を測定する。前記
の時間は次式に従い求められる。

【００３４】

【数２８】（７）

【００３５】前記式（７）において、ｔ_CB／ｔ_AB を求
めれば、

【数２９】となる。従って、

【００３６】

【数３０】（８）これと同様にｔ_CB／ｔ_AB によって、

【数３１】（９）を求めることができる。

【００３７】流速が少ない時はＬ₁＝Ｌ又はＬ₂＝Ｌと見
ても良いが流速が高い場合は次の様にもっとも正確なＬ
値を求める。

【００３８】先に式（８）で求められたＬ₁を流速測定
式（４）に代入して流速成分υ′を計算する。式（４）
において

【数３２】にする。この様に求められたυ′は真の流速成分υとは
若干相違している。このυ′を式（６）に代入して正確
なＬを求める。

【００３９】

【数３３】（１０）ここで、Ｃ’＝Ｌ₁／（ｔ_AB・ｔ_BA）^1/2である。若
し、υ′／Ｃ′値が真のυ／Ｃに比べて５％の誤差があ
り、又Ｌ ₁ とＬに対して１％の誤差をもっているとして
も、式（１０）によって求めたＬ値の誤差は０．０５％
となるのでとても正確である。

【００４０】この様に測定された転換器間の距離Ｌ_iを
流速流量演算制御装置に入力記憶させたり、又は流速を
測定する時にＬ_iを演算して流速測定式（４）に代入し
ても良い。

【００４１】図５及び図６において見るところのように
複合転換器の構造は、環状リング形の圧電セラミックよ
りなる流速測定用転換器（１ _A ）と、円柱形の圧電セラ
ミックよりなり、前記転換器（１ _A ）より所定の長さｌ
の間隔を離れてパイプ（８）の端部近くに設置されてい
る超音波伝播軌道測定用転換器（１ _C ）とからなる。

【００４２】パイプ管（８）は転換器のケース（７Ａ）
を通過して転換器（１_C）のケース（７ｃ）と連結され
ている。ケース（７ｃ）はパイプ管（８）に、例えばネ
ジで連結されていて、このパイプ管（８）に沿って移動
させることができ、転換器（１ _A ）と、転換器（１ _C ）と
の間隔ｌを調節することができる。

【００４３】超音波発射効率を高めるために、転換器
（１_A）と（１_C）後面に緩衝材（demper）（６）が充満
されている。例えば、緩衝材として酸化タングステン粉
末を使用しても構わない。

【００４４】図５及び図６において（９）は、転換器
（１_A）と（１_C）を連結する導線であり、（１０）は、
複合転換器を河川の側面（麓）に設置した転換器固定台
に固着せしめる固着環である。転換器（１_A）の内径Ｄ
_Aは、転換器（１_C）のケース外径Ｄ_Cに比して、やや
大きくなければならない。

【００４５】河川の幅が数十、数百メートルにもなる場
合、超音波パルスの振動周波数は、普通２００−５００
_kHzを使用するところ、水における波長は、わずか７〜
３ｍｍ程度になる。従って、転換器（１_A ）の前に３〜
７ｍｍ以上になる障害物があってはならない。しかし、
図５に示したところのように、２個の超音波転換器より
なる複合構造とすれば、転換器（１_A）と（１_C）が超音
波パルスを発射、受信するのに支障がない。

【００４６】転換器（１_A）と（１_C）間の間隔ｌの選択
は流量測定装置に内蔵されている時間間隔測定装置の誤
差によって決定される。式（４）で見るようにＬの測定
誤差の如何によって流速測定誤差が左右される。間隔ｌ
の選択関係式は次の通りである。

【数３４】（１１）ここで、τは時間間隔測定絶対誤差、Ｃ _max は河川水に
おいて期待することができる最大の超音波流速、δ _L は
Ｌ間隔測定許容相対誤差である。

【００４７】例えば、τ＝１０^-7 _S、Ｃ_max＝１４６０m/
s，δ_l＝０．００１（０．１％）とすれば、これらの数
値を式（１１）に代入すると、

【数３５】になる。従って、ｌ＝０．３ｍにて選択すれば十分であ
る。

【００４８】図７には、一つの実例にて、河川用超音波
流量測定装置の構成を、概略的なブロック線図で図示し
た。流速流量演算制御装置（１６）は、クロックパルス
を発生せしめる同期発振機（syncqenerator）（１２）
と、それによって作動制御される無線送受信機１７を設
け、以後、詳細に記述されるところのように、河川水の
流速及び流量を演算する。

【００４９】超音波パルス発振機（１３）は超音波パル
ス信号を発生せしめ、交換機（１１）に印加する。交換
機（１１）は超音波パルス信号を河川の一辺の側面
（麓）に設置した流速測定装置にて構成した多数の複合
転換器（１_A1、１_C1）、（１_A2、１_C2）...（１_An、１
_Cn ）に超音波パルス信号を印加する。

【００５０】パルス整形機（１４）は以後記述されるよ
うに、交換機（１１）からの受信信号を整形波に成形す
る。時間間隔測定装置（１５）は、パルス信号発振機
（１３）と、パルス整形機（１４）からの信号間の時間
間隔、即ち、超音波伝播時間を測定して、流速流量演算
制御装置（１６）に入力する。

【００５１】同様に、他側河辺の側面（麓）にも、転換
器（１_B1），（１_B2）..（１_Bn ）が設置され、これと関
連して、交換機（１１）、同期発生機（１２）、パルス
発振機（１３）、波形整形機（１４）、と無線送受信機
（１８）が設置される。

【００５２】よって、該多回線超音波流量測定装置は、
所定のアルコリズムとプログラムに従って、交換機（１
１）が複合転換器（１_A1、１_C1）、（１_A2、１_C2）・・
・（１_An、１_Cn ）に超音波パルス信号を印加して、超音
波パルスが転換器（１_B1）、（１_B2）・・（１_Bn ）に伝
播するようにし、流速流量演算制御装置（１６）によっ
て作動する無線送受信機（１７）は、これを無線送受信
機（１８）に通知することにより、交換機（１１）は転
換器（１_B1）、（１_B2）・・（１_Bn ）が伝播信号を受信
するように成し、該信号を交換機（１１）が波形整形機
（１４）等を経由して、無線送受信機（１８）が無線送
受信機（１７）に伝達すべく成す。

【００５３】この時、無線送受信機（１７）は、流速流
量演算制御装置（１６）の制御によって、無線送受信機
（１８）、交換機（１１）及び超音波パルス発振機（１
３）を作動せしめ、転換器（１_B1）、（１_B2）・・（１
_Bn ）より超音波パルスが転換器（１_A1、１_C1）、
（１_A2、１_C2）・・・（１_An、１_Cn ）に超音波パルスを
発射する。

【００５４】よって、転換器（１_A1、１_C1）、（１_A2、
１C2）・・・（１_An、１_Cn ）によって受信された信号
は、交換機（１１）を通じて波形整形機（１４）におい
て整形波になり、時間間隔測定装置（１５）に入力され
る。時間間隔測定装置（１５）は、転換器１_A1、１_B1、
１_C1に該当する伝播時間ｔ_AB1、ｔ_BA1、ｔ_CB1、ｔ_BC1の
コード信号を発生させ、流速流量演算制御装置（１６）
に入力する。流速流量演算制御装置（１６）は、第１回
線水平平均流速Ｖ1を演算して記憶する。同様に、該過
程が第２回線、第３回線、第ｎ回線と順に繰り返され、

【数３６】流速が測定記憶される。（１９）は転換器（１_Ai）、
（１_Bi）、（１_Ci）を設置固定せしめる設置台である。

【００５５】流量Ｑは、従前に使用していた式（３）に
よって計算され得ることができるが、もっと正確な方法
は、

【数３７】の測定データを利用して水平流速分布曲線を作成して総
平均流速Ｖ _s を求め、これを次式のように、

【数３８】（１２）近似積分し、予め求めておいた水深と水流れ断面積Ｓと
の関係函数Ｓ（Ｈ）によって求められる断面積Ｓに乗じ
て流量Ｑを求める方法がもっとも正確である。即ち、

【数３９】（１３）である。図７に、水深Ｈを測定するレベルメートルは表
示しなかった。

【００５６】以上におけるように、広い河川用の超音波
流量測定装置を構成するにおいて、両辺に配置された転
換器を高周波ケーブルにて第２次測定器（１１−１６）
と連結するのが非合理的である時、無線送受信機（１
７）、（１８）を使用するのが好ましい。勿論、河川両
辺の側面（麓）に、転換器を配置せずに一方の側面
（麓）に、所定された間隔ｄにて転換器（１_A1）、（１
_C1）・・・、（１_An）、（１_Cn）、さらに（１ _B1 ）、
（１ _B2 ）、・・・（１ _Bn ）を設置し、反対の辺の側面
（麓）に超音波反射装置を装置するのも甚だ効果的であ
る。このような場合には、無線送受信器も必要無く同期
発振機（１２）、超音波パルス発振機（１３）、波形成
形機（１４）、交換機（１１）を二重に両方の辺の側面
（麓）に設置する必要も無い。

【００５７】又、流量を測定する毎に転換器（１_Ci）を
作動させてＬ₁を測定しなくても良い。周期的にＬ₁を測
定して流速流量演算制御装置（１６）に入力記憶してお
いても良い。

【００５８】又、多数の複合転換器を設置する代わり
に、開水路の一辺の側面（麓）に沿って転換器
（１ _B1 ）、（１ _B2 ）…（１ _Bn ）を設置した後、他の辺の
側面（麓）に沿って転換器（１ _A1 ）、（１ _A2 ）……（１
_An ）を設置する位置点で、複合転換器（１ _A ）、
（１ _C ）を移動させながら、（Ｌ ₁ ）、（Ｌ ₂ ）…（Ｌ
_n ）を測定し、その測定値を流量計の流速流量演算制御
装置に入力記憶させ、転換器（１ _A1 ）、（１ _A2 ）…（１
_An ）を設置することもできる。これはＬ₁が絶対に変わ
らない時に適用する。

【００５９】また本発明は、複合転換器を構成する２個
の転換器間の間隔を修正しテストする方法と超音波伝播
時間測定装置と流速流量演算装置を修正しテストする方
法を提案している。

【００６０】式（８）又は（９）を見ると複合転換器の
中に入っている転換器間の間隔ｌを正確に測定しなけれ
ばＬ測定誤差が大きくなって流速測定誤差も大きくな
る。従って、ｌを正確に測定する方法と又時間間隔測定
装置の誤差を修正しテストする方法が必要である。

【００６１】勿論、精密な誤差が±１０^-6ｍ程度の長さ
測定器はあるが、このような長さ測定器にて式（８）に
代入される長さｌを正確に測定することは難しい。

【００６２】その理由は、長さｌとは超音波パルスが伝
播する長さであるが、いくら超音波パルス送受信回路と
時間間隔測定回路を精密に構成したとしても、色々な原
因にて遅延時間が含まれる。更に、いくら遅延時間が小
さく無視することができる程度であったとしても、図５
に示した複合転換器、すなわち転換器（１_Ai）と
（１_Ci）の超音波パルス発射受信有効面間の間隔測定を
正確に行うことは難しい。

【００６３】前記したことを参酌して、本発明に伴うｌ
測定の修正方法は次の通りである。図８に示すように、
水槽を周囲の温度が変わらない室内に設置し、この水槽
内に水を充満させる。次に流量測定装置に連結された
（１_A）と（１_C）とからなる複合転換器を水中に設置し
固定し、転換器（１_A）よりＬ₁になる間隔に転換器（１
_B）を設置する。この時、Ｌ₁間隔を正確に測定する必
要が無い。又、予め、長さ測定計にてｌ’を大略測定し
て流量計に入力せしめる。

【００６４】流量計に内蔵された時間間隔測定装置の時
間間隔測定誤差をテストするために、精度（accuracy）
が高い基準時間間隔測定装置を並列に連結する。

【００６５】このように事前準備を行い、流量計を作動
させ、Ｌ₁間隔を水槽において超音波パルスが伝播する
時間ｔ_AB1、ｔ_CB1を繰り返し測定しながら、流量計が算
出する間隔Ｌ’₁を記録する。即ち、

【数４０】（１４）ここで、ｌ’は真の長さｌと異なるために、式（１４）
によって計算されたＬ’₁は、真の長さＬ₁と異なるも
のである。

【００６６】次に超音波転換器（１_B）を正確に測定さ
れたＬ₀間隔に移動する。移動した間隔Ｌ₀ の正確な測
定は難しいものでは無い。転換器（１_A）と（１_B）間の
間隔は、Ｌ_i＋Ｌ ₀ であり、転換器（１_C）と（１_B）間
の間隔はＬ ₁ ＋Ｌ ₀ −ｌとなる。

【００６７】このように超音波転換器（１_B）の位置を
変更し、超音波伝播時間ｔ _AB2 、ｔ _CB2 を測定して、超音
波転換器（１ _A ）と（１ _B ）間の間隔

【数４１】（１５）を求める。式（１５）から式（１４）を減じれば、転換
器（１ _C ）と（１ _B ）間の間隔

【００６８】

【数４２】（１６）を求めることができる。

【００６９】時間間隔測定誤差は甚だ小さいので、無視
すべき程度であれば、真の長さＬ₀は、

【数４３】（１７）となる。ここで、ｌは求めようとする真の長さである。
従って、

【数４４】になり、

【数４５】（１８）になるであろう。

【００７０】このように、式（１８）に従って、正確な
長さｌを求めることができる。このように求められたｌ
の値をｌ’代わりに流量測定装置の演算制御部に入力
し、式（１７）によってＬ₀を繰り返し測定する。繰り
返して測定した結果を分析すれば、流量測定装置が測定
した長さと、精密な長さ計測機にて測定した長さＬ₀間
の偏差が、偶然偏差であるか、あるいは固定偏差が含ま
れているのかが、容易に知り得る。固定（sysytemati
c）偏差が含まれているならば、前記した方法を繰り返
し、更に式（１８）によってもっと正確なｌの値を求
め、流量計に入力し、前記した測定を繰り返す。

【００７１】このような過程を固定偏差が無くなるま
で、繰り返して最終的にｌ値を求め、流量測定装置の演
算制御装置に入力する。

【００７２】前記した長さｌの測定方法の長点は、流量
測定装置と超音波転換器、更に両者間を連結するケーブ
ル線のすべてのものを連結して見る時、発生する遅延時
間等を補償するｌの値を求めることが重要である。

【００７３】前記した方法にて求められたｌの値を流量
測定装置に入力し、超音波転換器（１_B）の位置を変更
させながら、流量測定装置が測定した変更された長さの
値と、精密な長さ計測機にて測定した値と対比して、超
音波パルス伝播の長さ測定誤差をテストするようにな
る。同時に流量測定装置の時間間隔測定装置の時間間隔
測定誤差も、基準時間間隔測定装置と対比してテストさ
れる。入力せしめたｌの誤差、時間間隔測定誤差等を、
前記した水槽においてテストできるようになり、一定な
るＬ測定誤差、ｔ_AB、ｔ_CB、ｔ_BA、ｔ_BC測定誤差がある
場合の流速測定式（４）により測定される流速の誤差が
δ_viを評価するようになる。

【００７４】ところが流速測定誤差を評価する時、次の
状況に注目しなければならない。水槽で流量計が測定し
たＬ₀の絶対誤差ΔＬ₀で計算した相対誤差ΔＬ₀／Ｌ₀＝
δ_L0 は現地開水路で測定する誤差ではない。Ｌ₀はほぼ
１〜３ｍであるが現地では数十米になるのでＬ_i測定相
対誤差はδ_L0より少なく、δ _Li＝Δ_L0／_Liとなる。

【００７５】超音波伝播時間測定誤差も水槽で求めた絶
対誤差Δｔを現地で期待する伝播時間で除けば良い。δ
_t＝Δt/t、この様に計算したδ_Lとδ_tを使って流速測定
誤差を評価するのである。

【００７６】次は、流量計算を行うための積分式（１
２）を遂行する、演算制御部の誤差修正は、次のように
簡単に行うことができる。水平平均流速

【数４６】の多様な分布関数を作成して総平均流速

【数４７】を予め正確に積分計算しておく。次に流速分布曲線にお
いて、転換器が配置される地点における流速

【数４８】に該当する流速と、それらの間の間隔を流量測定装置の
流量演算部に入力し、その演算結果

【数４９】を正確に計算された

【数５０】と対比して、

【数５１】測定誤差を修正する。

【００７７】超音波流量測定装置の最大流量測定相対誤
差は、

【数５２】（２３）になり、

【数５３】が主に偶然誤差にて構成されているとすれば、次のよう
に評価される。

【数５４】（２４）ここでδ_Sは水流れの断面積誤差である。このように、
本発明の方法によれば、流速を測定する条件において、
河川用、開水路用、又は、規模が大きい閉水路用超音波
多回線流量計の流量測定誤差を間接的に非流入方法で、
高精度で修正することができるものである。

【００７８】産業用流量計等は、標準流量測定装置にて
直接修正、テストすることができるけれども、開水路の
大流量を測定する流量計は間接的な修正テストにより測
定誤差を修正するより外に方法がないところ、正確な超
音波流速測定方法を使用することにより間接的な修正テ
ストの精度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の多回線超音波河川流量測定の原理を説明
した断面図。

【図２】従前の水平平均流速測定の原理を説明した模式
図。

【図３】超音波が伝播する軌道の様子を示した模式図。

【図４】本発明に伴う水平平均流速測定方法を説明する
模式図。

【図５】本発明に伴う水平平均流速測定用複合超音波転
換器の断面図。

【図６】超音波伝播軌道測定用転換器（ＩＣ）を示す斜
視図。

【図７】本発明に伴う流量測定装置の一実施例を示す断
面図。

【図８】本発明の修正テスト方法を説明する模式図。

【符号の説明】

１_A・・・第１転換器１_C・・・第２転換器１_B・・・第３転換器

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】人工開水路又は河川の両側面（麓）の線
上に沿って２地点間の水平平均流速を測定する多数の超
音波平均流速測定回線により構成されている開水路用超
音波流量測定装置において、開水路の一辺の側面（麓）の線上に配置する超音波転換
器（以下超音波は略する）は、所定間隔ｌをもって配置
された２個の転換器（Transducer）が一体になっている
複合転換器となっており、この複合転換器は、中心部が
空洞となっている環状形（Annular ring）の第１のケー
ス内に収納された第１の転換器（１ _A ）と、第２のケース内に収納された第２の転換器（１ _C ）と、
所定の長さを有するパイプとを有し、前記パイプの末端が前記第１ケースの中心部に固定さ
れ、前記パイプの先端に第２のケースが所定間隔ｌを微
調整可能に固定されており、前記所定間隔ｌは、次の式
により選択されることを特徴とする開水路用超音波流量
測定装置。【数１】ここでτ−超音波多回線流量計の超音波伝播時間測定装
置の時間測定絶対誤差、Ｃ_max−開水路水の中で期待す
る最大の超音波、δ_L−水平平均流速測定用の超音波転
換器間の距離測定許容相対誤差である。
【請求項２】開水路用超音波流量測定方法において、第１の転換器（１ _Ai ）とこの第１の転換器（１ _Ai ）と所
定間隔ｌをもって配置された第２の転換器（１ _Ci ）とが
一体になっている複合転換器を開水路の一辺の側面
（麓）に沿って設置すると共に、他の辺の側面（麓）に
沿って、前記複合転換器（１ _Ai ）（１ _Ci ）と結ぶ線が水
平となり、かつ水流の方向と角Ψをなすように、第３の
転換器（１ _Bi ）を設置することで、水平平均流速測定回
線を構成するステップと、前記第１の転換器（１ _Ai ）または第２の転換器（１ _Ci ）
と、第３の転換器（１ _Bi ）との間で、超音波が伝達され
るとき、その受信信号の振幅が最大になる様に前記第
１、第２及び第３の転換器（１ _Ai ）（１ _Ci ）（１ _Bi ）の
発射角を調節するステップと、前記第１の転換器（１ _Ai ）と第２の転換器（１ _Ci ）とか
ら前記第３の転換器（１ _Bi ）に向かって超音波パルスを
発射して、それぞれから伝播される超音波の伝播時間ｔ
_AiBi 、ｔ _CiBi を測定して前記第１の転換器（１ _Ai ）と第
３の転換器（１ _Bi ）間の距離Ｌiを測定するステップ
と、前記第３の転換器（１ _Bi ）から超音波パルスを発射して
前記第１の転換器（１ _Ai ）まで伝播する伝播時間ｔ _BiAi
を測定し、距離Ｌi線上で水平平均流速【数２】を測定するステップと、前記の様に夫々の深さで水平平均流速【数３】を測定し、その結果から水平平均流速分布曲線を作成し
て総平均流速を求め、これに流れ断面を乗じて流量を求
めるステップとを含むことを特徴とする開水路用超音波
流量測定方法。尚、前記Ｌ _iは、流速が高く無い時は次
の式によって測定する；【数４】（ａ）（ここでｌは第１と第２の転換器間の間隔）又流速が高
い（υ> 3 m/s）ところでは次の式で測定する；【数５】（ｂ）ここで、Ｃは、下記式で計算した超音波流速であり、【数６】 υ′は、次式で計算されるＬ _i 線上の流速成分であり、【数７】（ｃ）この様に測定したＬ_i を下記の流速測定式に代入して流
速を演算する；【数８】（ｄ）ここで di＝Ｌ_icosψ．
【請求項３】距離Ｌ _i と流量を毎回測定せず、一度Ｌ _i
を測定して流量計の流速流量演算制御装置に入力記憶し
ておき、流速を測定する時は、超音波伝播時間ｔ _AiBi 、
ｔ _BiAi のみ測定し、Ｌ _i は一定の周期で測定し、前に記
憶させたＬ _i 値と比較し修正することを特徴とする請求
項２記載の開水路用超音波流量測定方法。
【請求項４】第１の転換器（１ _Ai ）と第３の転換器
（１ _Bi ）との間の距離Ｌiが変わらないことを条件とし
て、開水路の一辺の側面（麓）に沿って転換器
（１ _B1 ）、（１ _B2 ）…（１ _Bn ）を設置した後、他の辺の
側面（麓）に沿って転換器（１ _A1 ）、（１ _A2 ）……（１
_An ）を設置する位置点で、複合転換器（１ _A ）、
（１ _C ）を移動させながら、（Ｌ ₁ ）、（Ｌ ₂ ）…（Ｌ
_n ）を測定し、その測定値を流量計の流速流量演算制御
装置に入力記憶させ、転換器（１ _A1 ）、（１ _A2 ）…（１
_An ）を設置することを特徴とする請求項２記載の開水路
用超音波流量測定方法。
【請求項５】水平平均流速測定回線を構成する、第１
の転換器（１ _A ）と第２の転換器（１ _C ）でなっている複
合転換器と、第３の転換器（１ _B ）とを、水槽に一定な
間隔Ｌ _A に配置し、前記転換器（１ _A ）と（１ _C ）間の間
隔を長さ測定器で測定し、その値ｌ′を流量計の流速流
量演算制御装置に入力するステップと、前記流量計の超音波伝播時間測定装置と並列して精密な
基準時間間隔測定装置を連結するステップと前記流量計を始動させて前記転換器（１ _A ）、（１ _C ）か
ら（１ _B ）、又（１ _B ）から（１ _C ）と（１ _A ）に超音波
が伝播する時間ｔ _AB 、ｔ _CB 、ｔ _BA 、ｔ _BC を測定して間隔
Ｌ′ _A を次式で算出するステップと、【数９】（ａ）前記転換器（１ _B ）を精密に測定したＬ ₀ の間隔に移動し
固定して前記の伝播時間を測定してＬ’ _A ＋Ｌ’ ₀ を次式
により算出し、【数１０】（ｂ）前記Ｌ’ _A ＋Ｌ’ ₀ からＬ’ _A を引いてＬ’ ₀ を得ること
で、正確なｌ値を次式に従って算出するステップと、【数１１】（ｃ）前記流速流量演算制御装置に入力されたｌ′に代えて、
修正された正確なｌ値を前記流速流量演算制御装置に再
入力し、前記の方法でＬ ₀ を測定し、測定したＬ ₀ の値
Ｌ″ ₀ が正確に測定された値と等しいかどうかをテスト
し、もしＬ″ ₀ の値が許容範囲の誤差を越えるなら、前記式
（Ｃ）にＬ″ ₀ 値を代入してもっと正確なｌの値を計算
するステップと、前記の方法を繰り返して最終的なｌ値を求め、前記流速
流量演算制御装置に入力するステップとを含むことを特
徴とする開水路用超音波流量測定装置を修正しテストす
る方法。