JP2009063578A - 管、開放または閉鎖した運河および水路内の液体の表面速度と流量を測定する方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、管、開放または閉鎖した運河および水路内の液体の表面速度および流量を測定するための方法に関する。
【解決手段】この場合、方法は、液体表面１の範囲における物体２の速度６の方向と値を光学的に測定する工程と、液体レベルを測定する工程と、物体２の画像を自動認識する工程と、時間的および空間的に高い解像度の物体速度分布を計算する工程と、この工程の結果から液体の代表的な表面速度ｖ_０を計算する工程と、実際の液体レベルの値と格納されたデータセットから、液体流通面積Ａを求める工程と、代表的な表面速度ｖ_０と面積Ａおよび係数ｋを乗算する工程とを含み、この係数が格納されたデータセットから求められ、係数の値が測定個所の数値的較正または実験的較正に由来している。
【選択図】図１

Description

本発明は、管、開放または閉鎖した運河および水路内の液体の表面速度と流量を測定する方法および装置に関するものである。

本発明による方法と装置は、あらゆる種類の導体内のあらゆる種類の液体の表面速度と流量を求める。この場合、本発明において、導体とは、内部を液体が移動する小川、川、運河、管、樋およびその他の幾何学的な構造物であると理解される。本発明において、液体とは、導体内を搬送されるすべての液体、特に淡水、塩水、淡水と塩水が混合した水、雨水、混合水、廃水、冷却水または処理水、ミルク、オイル、ジュースのような食品または食品原料、石油、灯油またはガソリンのような化学製品であると理解される。

管と開放した樋内の流量を測定するための方法は特許文献１によって知られている。この方法は、後方散乱式パルスドップラー方法で水の速度を測定するために、超音波センサを使用する。代替的に、後方散乱式レーザードップラー風速計が使用される。センサが液体表面の下方に配置されているこのような方法は、液体内を動く物体によって大きな損傷を受ける恐れがある。表面速度のレーダー測定は速度が十分に高い場合にのみ使用可能であり、そして例えば風によって生じる表面波によって誤差を生じる。

独国特許出願公開第４３２０２９５Ａ１号明細書

本発明の課題は、非接触式に作動し、きわめて正確にかつ経済的に実施可能であり、特に表面速度や流量が非常に小さいかまたはマイナスの場合に良好に適用可能である、冒頭に述べた種類の方法を提供することである。

本発明による方法はこの課題を次のようにして解決する。すなわち、液体表面の範囲における物体の速度の方向と値を光学的に測定する工程と、液体レベルを測定する工程と、物体の画像を自動認識する工程および時間的および空間的に高い解像度の物体速度分布を計算する工程と、この工程の結果から液体の代表的な表面速度ｖ_０を計算する工程と、実際の液体レベルの値と格納されたデータセットから、液体流通面積Ａを求める工程と、代表的な表面速度ｖ_０と面積Ａおよび係数ｋを乗算する工程とを含み、この係数が格納されたデータセットから求められ、係数の値が測定個所の数値的較正または実験的較正に由来していることによって解決する。液体比重式測定羽根または超音波装置のような公知の他の方法と異なり、本発明に係る方法は非接触式であるので液体表面から確実に離れ、故障の危険が非常に小さくなるという利点がある。方法を実施するために必要な装置は、流れによってまたは内容物または液体の化学的性質によって、更に例えば氷または漂流物のような一緒に運ばれる物体によって、損傷または破壊されることがない。公知のレーダー速度測定と異なり、本発明による光学式方法は、波に対しておよび表面速度／流量自体に対して敏感ではない。本発明による光学式方法は実際上重要なあらゆる速度について適している、すなわち非常に速い液体、非常に遅い液体、停止した液体または後退する液体について同様に適しているので、すべての流れ状態を確実に検出することができる。レーダーをベースとした測定は、ゆっくり流れる液体または停止した液体の場合には大きな問題がある。というのは、速度が低下するにつれて液体表面が益々滑らかになるので、信号の後方散乱が減少するからである。これによって、レーダー信号が弱くなり、最後には常に存在するノイズよりも小さくなり、もはや検出不可能である。表面速度のためのマーカーとして液体表面の範囲内の物体を使用することにより、本方法は、表面の粗さ等に左右されないという利点がある。画像の自動認識は本発明に従い、知られている特別な物体で行われるのではなく、液体表面上または液体表面近くの知られていない物体が認識および追跡され、その空間的および時間的速度分布と流量が計算される。導体のジオメトリーが知られている場合には、液体レベルに左右される、液体が流れる部分横断面の面積Ａが、測定された液体レベルに依存して決定される。この場合、格納された表のデータが用いられる。この表は、いろいろな液体レベルのときの面積Ａを含んでいるかまたは表の格納されたデータから面積Ａが内挿法によって求められる。流量ＱはＱ＝Ａ・ｖ_ｍに従って面積Ａと、流通する部分横断面の平均流速ｖ_ｍとの乗算によって生じる。この平均流速は代表的な表面速度ｖ_０からｖ_ｍ＝ｋ・ｖ_０によって計算される。その際、ｋは速度の横断面平均ｖ_ｍと本発明に従って決定された代表的な表面速度ｖ_０との単位のない速度比ｖ_ｍ／ｖ_０である。係数ｋは導体プロファイル、液体レベルおよび部分的に速度に依存し、流通測定個所の較正によって決定される。場合によっては格納されたデータセットに存在しない、所定の液体レベルに対するｋの値は、内挿法によって、既存の値から求められる。較正は測定によってまたは数値的な計算によって代替的に行うことができる。測定技術的な較正の場合には、代表的な表面速度ｖ_０が本発明に従って測定され、流量Ｑが独立した測定方法によって測定され、この測定が同時に行われる。この同時測定によって、単位のない速度比がｋ＝ｖ_ｍ／ｖ_０＝（Ｑ／Ａ）／ｖ_０に従って生じる。比較および較正のために、例えば液体比重式または磁気誘導式測定羽根、堰装置または他の公知の流量測定方法によって流量を測定することができる。多数の測定場所較正が知られており、独国特許出願公開第４３２０２９５Ａ１号明細書に記載されている。係数ＡとｋはＡ_ｒｅｄ＝Ａ・ｋでまとめることができるので、求められる流量ＱはＡ_ｒｅｄ・ｖ_０の積から生じる。

本発明の実施形では、物体が自然のまたは人工の産品である。自然の物体としては特に花粉、漂流物、機能等が考えられる。ポリスチレン球のまたは人工的に発生した気泡のような人工的な物体を、液体に添加する必要はない。導体を横切る圧縮空気管からの気泡カーテンの発生は、圧縮空気管の設置のために効果であり、必要な空気圧力の発生はエネルギーが高くつく。所望な場合には、このような人工的な粒子は本発明では自然のものが使用される。というのは、画像の自動認識がこれらの粒子を認識し、追跡することができるからである。どのような種類の物体が使用されるかは本発明の中心的な特徴ではない。液体内または液体上に自然に存在するかどうかまたは人工的に供給されるかどうかは重要ではない。液体内に既に存在する、葉、漂流物等のような物体の使用が有利である。

本発明の実施形では、物体の検出がカメラ、好ましくはＣＣＤカメラまたはデジタルカメラ、特に対物レンズを備えたカメラによって行われ、好ましくは方向の制御と焦点距離の制御が行われる。カメラをセンサとして使用することにより、高価な特殊センサが省略される。カメラの位置決めおよび配向とその焦点距離の調節は本発明に従い、必要に応じて手動でまたはコンピュータ制御で行われる。コンピュータ制御は、カメラによって検出された液体フレームを、検出された物体速度の値および方向に依存して変更できるようにする働きをする。

従って、本発明の実施形では、カメラの画像のシーケンスにおいて、少なくとも２枚の画像、好ましくは２枚よりも多い画像で、少なくとも１個の物体、好ましくは複数の物体が確認され、カメラによって検出される視角範囲を通る物体の経路が時間の関数として追跡され、それに基づいて物体速度が計算される。本発明に従って異なる画像で同じ物体を確認することにより、経路が求められ、かつ連続する撮影の知られている時点に基づいて物体速度の時間に依存した絶対値と方向が求められる。物体が小さい場合には、確認された物体の速度の時間に依存したこの絶対値と方向は、液体の表面速度の絶対値と方向の、検出された物体経路に沿った平均値に一致する。従って、本発明では、十分に小さな物体が確認される。物体の選択大きさは導体の大きさに対して相対的なものである。確認される物体は本発明に従い、その都度第１の位置Ａでの第１基準画像と、第２の位置Ｂでの、Δｔだけ遅く撮影された比較画像で検出される。ＡとＢの間の経路およびそのために必要な時間Δｔとから、局所的な表面速度ｖ_０の値と方向が計算され、液体表面の局所的な位置Ｍに割り当てられる。この場合、ＭがＡとＢの近くにあると、例えば確認された位置ＡとＢの平均である。本発明では、平均位置の代わりに、異なる重みづけ、例えば３分の１位置または１０分の１位置を行うことができる。複数の物体が速度決定のために評価されると特に有利である。カメラが一般的に視野内に多数の物体を常に有するので、コンピュータの大規模な計算によって多彩な情報を簡単に決定することができる。物体速度の多数の個々の値は、平均表面速度のきわめて多数の一層正確な決定を可能にする。これによって更に、どの表面速度をどこで測定するかという方法を決定することができるので、表面速度は点だけでなく、その空間的な分布が求められる。

例えば、液体速度の計算すべき値が、場合によっては特に典型的ではない個々の値を考慮しないで、平均値を求めることによって決定されることにより、精度を高めることができる。個々の値のクラスターにおいて、特に典型的でない個々の値は、平均から大きく逸れていることを見分けることができる。このような場合、測定エラーであると推測されるので、このような典型的でない個々の値を無視することにより、通常は残りの個々の値から求められた平均値が一層正確になる。

更に、カメラの視角範囲は、カメラによって検出された液体の表面範囲が、部分範囲に分割され、物体の速度がその都度、位置に依存してこの部分範囲に割り当てられるように利用することが可能である。これにより、液体表面の観察範囲全体について表面速度の、非常に正確で場所に依存した分割が達成される。

カメラによって検出される液体表面は、カメラ間隔、視角および焦点距離に応じて、約０．１〜１００ｍのオーダーの長さを有する。液体が速く流れる場合の小さなカメラフレームは、液体がゆっくり流れる場合の大きなカメラフレームよりも高速の測定動作を必要とする。この理由から、本発明の他の実施形では、カメラによって検出される液体表面の範囲に依存して、および求められる表面速度に依存して、２つの画像の検出の間の時間的な間隔が変更可能であり、好ましくは０．００１〜９００秒の間で、特に０．０１〜６０秒の間で変更可能である。これにより、カメラとコンピュータの供されるリソースが最適に利用可能である。その際、本発明に従い、２つの画像の時間的な間隔はコンピュータ制御でおよび手動で変更可能である。第１の変形では、位置Ａ，Ｂが互いに十分に異なっておらず、例えば同一であるかまたはほぼ同一である場合には、画像認識プログラムが時間的な間隔を延長し、そして位置の差異が大きすぎる場合には、時間的な間隔を短縮する。手動の実施形では、使用者によって時間間隔の変更が行われる。

方法のために使用される機器、特にカメラと、場合によっては現場で評価を行うコンピュータは、屋外での使用の際にバッテリで運転することができる。この場合、方法を実施する装置、特にカメラとコンピュータのエネルギー消費を減らすために、物体検出、物体速度分布の計算および流量計算を行う作動相を、繰り返して停止相と交替させる本発明の実施形が特に重要である。その際、停止相の時間と作動相の時間は用途に依存する。水路の場合には、測定はすべてひっくるめて１５分毎で十分であるが、より短いインターバルまたは長いインターバルでもよい。

本発明の実施形では、１つの測定個所で複数のカメラによって情報が得られて評価されおよび／または複数の測定個所でそれぞれ１個または複数のカメラによって情報が得られて評価される。本発明は導体の全長にわたってあるいはその重要な長さ範囲にわたって監視を可能にするという利点がある。この場合、特に重要な区間は、複数のカメラによって高い精度で監視することが可能である。

求められた情報および／または評価結果を測定値ユーザに、好ましくはインターネットを介して連絡すると特に有利である。その際、測定値ユーザは測定対象から任意の距離だけ離れたところにいてもよく、例えば工場、公共の装置等のコントロールセンターまたは緊急センターにいてもよい。インターネットによるデータ伝送の使用は、方法の適用を簡単にする。

本発明は、上記の方法のほかに、方法を実施するための装置を含んでいる。この場合、装置は、液体表面の上方に配置されたカメラ、好ましくは適当な装置によって旋回および制御可能であるカメラと、コンピュータに至る接続部と、コンピュータと、導体内の液体レベルを検出するためのセンサと、サーチライト、特に赤外線サーチライトとを備え、コンピュータが画像を自動認識するため、空間的および時間的に高い解像度の物体速度およびそれから導き出される代表的な表面速度ｖ_０を計算するため、実際の液体レベルの値から液体が流通する面積Ａを求めるため、代表的な表面速度ｖ_０を面積Ａおよび係数ｋに乗算するためおよびカメラとデータ伝送を制御するためのソフトウェアを備え、この係数ｋが格納されたデータセットから求めることができ、係数の値が測定個所の数値的較正または実験的較正に由来している。速度のレーザー測定装置またはレーザー後方散乱によって作動するセンサと比べて得られる利点は、方法に関連して既に上述した。サーチライトは暗闇での装置の運転を可能にする。この場合、特に赤外線サーチライトが有利である。というのは、赤外線サーチライトが人にとってわずらわしくないからである。１個または複数のカメラは液体の平面の情報において液体表面の真上にまたはすぐ隣にまたは側方に離して、すなわち液体表面の外側に配置可能である。

必要に応じて１つの測定個所に、複数のカメラおよび／または液体レベルセンサが設けられていることにより、本発明に係る装置によって流量値の高い精度が得られるという利点がある。

カメラの視角範囲がほぼ渦のない液体の表面範囲、特に橋等の上流または下流の表面範囲に向けられると、表面速度測定および流量測定のきわめて高い精度が達成されるという利点がある。

カメラが検出すべき表面範囲に合わせられた、一定のまたは変更可能である適当な焦点距離を有する対物レンズを備えていると、カメラによって検出された画像フレームを手動でまたはコンピュータ制御で変更することができるので、装置を液体のいろいろな流れ状態に合わせることができるという利点がある。測定場所のそのときの液体状態および物体速度に装置をフレキシブルに合わせることができるので、本発明に係る装置によって非常に高い精度の流量値が検出されるという利点がある。

本発明の実施形では、カメラが少なくとも１本の軸の回りに回転可能な旋回／傾斜ヘッドに配置されている。これによって、液体表面の最大範囲または最小範囲を検出することができ、かつ正確な流量値を求めることができるように、カメラの視線の配向を手動でまたはコンピュータ制御で変更することができるという利点がある。

次に、図に基づいて本発明の実施の形態を詳しく説明する。

図１には、液体表面１が物体２と共に示してある。この実施の形態では、液体は小川、川または水路の水であり、物体は例えば塵の粒のような小さな漂流物体である。図示では、若干の物体２にのみ例示的に参照符号が付けてある。カメラ３は液体表面１の平面の上方の水路のすぐ近くにおいて、杭、橋または水位計小屋等に配置されている。従って、カメラ３は本発明に従い、表面の真上にあるいはそれに対して側方に離隔して配置されている。カメラ３は接続部５を介してコンピュータ４に接続されている。接続部５はケーブル、無線通信または他の適当なデータ伝送形態である。コンピュータ４は本発明に従い、カメラに隣接してかつカメラに対して定置して、例えば水位計小屋またはコンピュータセンターのコントロールルームまたはコントロールステーションに配置されている。このコンピュータセンターは水路に沿った本発明に係る多数の装置を制御する。コンピュータ４は画像自動認識のためおよび図において矢印６で示された物体速度の計算のためのソフトウェアを備えている。本発明に従い、水路の近くで確認された、例えば塵の粒のような物体に、水路表面で局所的な位置（ｘ，ｙ）が割り当てられる。これらの位置について、両カメラ画像に基づき、水路の瞬間的な表面速度ｖ_０（ｘ，ｙ）の絶対値および方向が算出される。

本発明に従い、この塵の粒のような物体２は直接連続する２つのカメラ画像だけでなく、通常は多数の画像のシーケンスで検出される。他方では、本発明に従い、明確に識別可能な多数の異なる物体が規則的に確認される。すなわち、例えば５個の塵の粒、１枚の葉、４つの気泡等が確認される。これらの物体はカメラ３の視角範囲内にある。確認された物体にはそれぞれ、水路表面上の少なくとも１つ、通常は多数の局所的位置（ｘ，ｙ）が割り当てられる。この位置についてそれぞれ、水路のその瞬間の表面速度ｖ_０（ｘ，ｙ）の絶対値と方向が測定される。

本発明に従い、カメラ３によって検出された水路の視角範囲７の非常に多数の個々の位置（ｘ，ｙ）のために、その都度の表面速度ｖ_０（ｘ，ｙ）が非接触式にかつきわめて短い時間内に算出される。特に、深さが変化する水路の場合、装置は、表面速度が非常に遅いかまたは停滞しているかまたはマイナスであるときでも、本発明に係る方法によって、流量を確実に測定することができる。カメラ３は例えば橋に取付け可能である。この場合、カメラ３は下方へ垂直に向けられるかまたは傾斜させられる。ブラケット、マスト、岸辺の杭等への配置の固定は図示していない。同様に、多数のカメラの自由選択的使用および／またはカメラ方向および／またはレンズの焦点距離のコンピュータ制御による変更は図示していない。更に、サーチライト１３が図示してある。このアーチライトは暗いときに装置の機能を保証し、好ましくは赤外線サーチライトである。サーチライト１３は、明るさが足りない場合または暗闇でも瞬時の表面速度が上記の方法で測定されるように、検出画像範囲７を照明する。

液体レベル、すなわち一定のレベルからの水面（液体表面）１の高さは、液体レベルセンサ１０によって検出される。この液体レベルセンサは図示していないホルダまたは台によって橋またはその他の固定位置に固定されている。液体レベルセンサ１０から水面１に向けて信号１１が発せられる。この信号は例えば、液体レベルセンサ１０と水面１の間隔を測定するために、水面１から反射して液体レベルセンサ１０によって感知される超音波信号またはレーダー信号である。液体レベルセンサ１０は接続部１２を介して同様にコンピュータ４に接続されている。液体レベルセンサは他のあらゆる公知方法によって作動可能である。更に、例えば静圧管、気泡通過プローブ、フロート、角度エンコーダまたは他の公知液体レベルセンサを使用可能である。

特にバッテリで運転する場合、電気エネルギーの供給装置は、表面速度を検出した後で、或る時間にわたって一時的に停止することができる。これは、水路の流速が通常は短時間では変化しないので可能である。実際には、２５分おきに測定シーケンスを行うことで十分である。この測定シーケンスは一般的に数秒間行われるので、数秒間の作動相に約１４〜１５分間の停止相が続く。これによって、バッテリ運転時間が何倍にもなり、本例では少なくとも１５倍になる。勿論、５分以上の測定に続いて、適当に短縮または延長された停止相を行うことができる。液体の流速が急速に変化する他の用途の場合には、異なる停止相時間および作動相時間を必要とする。この停止相時間および作動相時間は本発明による装置によって容易に変更可能である。このような用途は例えば液体をバッチ式に搬送する管である。

本発明による方法を実施する装置の概略図である。

符号の説明

１ 液体表面
２ 物体
３ カメラ
４ コンピュータ
５ 接続部
６ 速度
７ 視角範囲
８ 対物レンズ
９ 視角
１０ 液体レベルセンサ
１１ 信号
１２ 接続部
１３ サーチライト
１４ 旋回／傾斜ヘッド

Claims (15)

1. 管、開放または閉鎖した運河および水路内の液体の表面速度および流量を測定するための方法において、
   ａ）液体表面（１）の範囲における物体（２）の速度（６）の方向と値を光学的に測定する工程と、
   ｂ）液体レベルを測定する工程と、
   ｃ）物体（２）の画像を自動認識する工程および時間的および空間的に高い解像度の物体速度分布を計算する工程と、
   ｄ）工程ｃ）の結果から液体の代表的な表面速度ｖ_０を計算する工程と、
   ｅ）実際の液体レベルの値と格納されたデータセットから、液体流通面積Ａを求める工程と、
   ｆ）代表的な表面速度ｖ_０と面積Ａおよび係数ｋを乗算する工程とを含み、この係数が格納されたデータセットから求められ、係数の値が測定個所の数値的較正または実験的較正に由来していることを特徴とする方法。
2. 物体（２）が自然のまたは人工の産品であることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 物体（２）の検出がカメラ（３）、好ましくはＣＣＤカメラまたはデジタルカメラ（３）、特に対物レンズ（８）を備えたカメラ（３）によって行われ、好ましくは方向の制御と焦点距離の制御が行われることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. カメラ（３）の画像のシーケンスにおいて、少なくとも２枚の画像、好ましくは２枚よりも多い画像で、少なくとも１個の物体（２）、好ましくは複数の物体（２）が確認され、カメラ（３）によって検出される視角範囲（７）を通る物体の経路が時間の関数として追跡され、それに基づいて物体速度（６）の値と方向が計算されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 液体速度（６）の計算すべき値が、場合によっては特に典型的でない個々の値を考慮しないで、平均値を求めることによって決定されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. カメラ（３）によって検出された液体（１）の表面範囲（７）が、部分範囲に分割され、物体（２）の速度（６）がその都度、位置に依存してこの部分範囲に割り当てられ、検出された表面範囲（７）について表面速度分布が時間的および空間的に高い解像度でかつ高い精度で決定されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. カメラ（３）によって検出される液体表面（１）の範囲（７）に依存して、および求められる表面速度に依存して、２つの画像の検出の間の時間的な間隔が変更され、好ましくは０．００１〜９００秒の間で、特に０．０１〜６０秒の間で変更されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 方法を実施する装置、特にカメラ（３）および／またはコンピュータ（４）のエネルギー消費を減らすために、物体検出、物体速度分布の決定および流量計算に従事する作動相が、繰り返して停止相と交替させられることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. １つの測定個所で複数のカメラ（３）によって情報が得られて評価されおよび／または複数の測定個所でそれぞれ１個または複数のカメラ（３）によって情報が得られて評価されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 求められた情報および／または評価結果を測定値ユーザに、好ましくはインターネットを介して連絡することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法を実施するための装置において、装置が液体表面の上方に配置された少なくとも１個のカメラ（３）、好ましくは適当な装置によって旋回および制御可能であるカメラと、コンピュータ（４）に至る接続部（５）と、コンピュータ（４）と、液体レベルを検出するためのセンサ（１０）と、サーチライト（１３）、特に赤外線サーチライトとを備え、コンピュータ（４）が画像を自動認識するため、空間的および時間的に高い解像度の物体速度およびそれから導き出される代表的な表面速度ｖ_０を計算するため、液体が流通する面積Ａを求めるため、代表的な表面速度ｖ_０を面積Ａおよび係数ｋに乗算するためおよびカメラ（３）とデータ伝送を制御するためのソフトウェアを備え、この係数ｋが格納されたデータセットから求めることができ、係数の値が測定個所の数値的較正または実験的較正に由来していることを特徴とする装置。
12. 装置が複数のカメラ（３）および／または液体レベルセンサ（１０）を備えていることを特徴とする請求項１１記載の装置。
13. カメラ（３）の視角範囲（７）がほぼ均一に流れる液体の表面範囲、特に橋等の上流または下流の表面範囲に向けられ、１個または複数のカメラ（３）の視角範囲（７）が好ましくは変更可能であることを特徴とする請求項１１または１２記載の装置。
14. カメラ（３）が検出すべき表面範囲（７）に合わせられた、一定のまたは変更可能である適当な焦点距離を有する対物レンズ（８）を備えていることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の装置。
15. カメラ（３）が少なくとも１本の軸の回りに回転可能な旋回／傾斜ヘッドに配置されていることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の装置。

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