JP2021085817A - 流速測定装置及び流速測定方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】超音波や電磁波を利用せずに所定の水深の流速値を精度よく測定することができ、かつ、安価で取り扱いが容易である流速測定装置及び流速測定方法を提供する。【解決手段】水面上に浮遊するブイ１０から垂下された水圧を測定する水圧測定部２０と、水圧値に基づいて流速値を演算する演算部と、流速値を外部のサーバー装置に送信する通信部と、を備え、水圧測定部は、潮流によって移動する抵抗体２１と、水深位置の水圧値を測定するための圧力センサ２２と、を有し、演算部は、潮流によって抵抗体が移動したときの変動水圧値と水圧値と水深位置の比例式とに基づいて抵抗体の鉛直方向の移動距離ｙを算出すること、移動距離と抵抗体及び索体に掛かる力のモーメントの釣合式とに基づいて流速値を算出すること、を特徴とする流速測定装置及び流速測定方法。【選択図】図３
Description
本発明は、水域における潮流の流速測定装置及び流速測定方法に関する。
従来、海洋の潮流などの水域の流速を測定する方法及び装置として、実際の流速を精度よく測定するものとして超音波や電磁波を利用した流速計が用いられている。それらの流速計は、精度よく流速・流向を測定することが可能であるが、高価であるとともに取り扱いが難しいため、海洋の沖合や沿岸で実施される定置網漁や水産養殖等の水産業において充分に普及していない。
そのため、例えば特許文献１には、水面に浮かべたブイと、ブイを基準姿勢に維持するための姿勢維持手段と、水中に配置された受流体と、ブイの基準姿勢に対する傾斜角度を計測する角度計測手段と、ブイの基準姿勢に対する傾斜角度に基づいて潮流の流速を算出する演算手段と、を主体としてなり、超音波や電磁波を利用せずに簡便な構造で流速の計測可能なブイ式潮流計測装置及び潮流計測方法が提案されている。
しかしながら、上述したブイ式潮流計測装置及び潮流計測方法は、水面上に設置された角度計測手段によって受流体の傾斜角度を測定するため、海の波浪等の水面の変化によって生じるブイの不規則な揺動運動に影響されやすく、受流体の傾斜角度の測定にも誤差が生じるおそれがある。そのため、受流体の傾斜角度に基づいて演算手段で算出した潮流の流速と、実際の潮流の流速とのズレが発生してしまう。また、ブイの不規則な揺動運動をなるべく減らすために錘を配置する必要があるが、重量の増加に抗して水面上に浮遊するための浮力を有するようにするためにブイを大型化させなければならず、運搬や設置等の取り扱いが難しくなってしまうおそれがある。また、ブイ自体を球形でセンサを内蔵する等の構造を備えた特殊な形状であり、一般的な固定式のブイや固定構造物等では利用することができない欠点を有するものである。
したがって、本発明は、超音波や電磁波を利用せずに所定の水深の流速値を精度よく測定することができ、かつ、安価で取り扱いが容易である流速測定装置及び流速測定方法を提供することを目的とするものである。
上記課題に鑑み、本発明の流速測定装置は、水面上に浮遊するブイと、前記ブイ周辺の水域における所定の水深位置の水圧値を測定する水圧測定部と、前記水圧値に基づいて流速値を演算する演算部と、前記流速値を外部のサーバー装置に送信する通信部と、を備えてなり、
前記水圧測定部は、潮流によって移動する抵抗体と、前記抵抗体を前記ブイから所定の水深位置まで垂下させる索体と、前記水深位置の水圧値を測定するための圧力センサと、を有し、
前記演算部は、前記圧力センサの測定した変動水圧値と、水圧値と水深位置の比例式と、に基づいて前記抵抗体の鉛直方向の移動距離を算出すること、前記移動距離と、前記抵抗体及び前記索体に掛かる重力、浮力、抗力、揚力からなる力のモーメントの釣合式と、に基づいて流速値を算出すること、を特徴とするものである。
前記水圧測定部は、潮流によって移動する抵抗体と、前記抵抗体を前記ブイから所定の水深位置まで垂下させる索体と、前記水深位置の水圧値を測定するための圧力センサと、を有し、
前記演算部は、前記圧力センサの測定した変動水圧値と、水圧値と水深位置の比例式と、に基づいて前記抵抗体の鉛直方向の移動距離を算出すること、前記移動距離と、前記抵抗体及び前記索体に掛かる重力、浮力、抗力、揚力からなる力のモーメントの釣合式と、に基づいて流速値を算出すること、を特徴とするものである。
また、上述した構成に加え、抵抗体は、潮流を受けると最も抵抗を受ける向きに前記抵抗体を回転させるために、潮流から抵抗を受けるための略長方形状の受流面を備えた長板部と、前記長板部の受流面が潮流の流速方向に対して常に垂直方向から入射するように調整する短板部と、を略十字状に配置して形成されることが好ましい。
また、上述した構成に加え、抵抗体は、前記抵抗体の中心において、圧力センサを内包するため角筒で形成された空間からなる格納部を有することが好ましい。
また、上述した構成に加え、通信部は、特定小電力無線局、携帯通信網、衛星通信網等の無線通信技術を利用した無線通信装置を有することが好ましい。
また、本発明の流速測定方法は、ブイから所定の水深位置まで圧力センサ及び抵抗体を垂下して水圧値を測定する水圧測定手段と、前記水圧値から流速値を算出する演算手段と、を備えてなり、
前記水圧測定手段は、前記抵抗体が潮流を受けていない状態での水深位置の基準水圧値を測定すること、前記抵抗体が潮流を受けて前記抵抗体が上昇移動したときの水深位置の変動水圧値を測定すること、を有し、
前記演算手段は、前記基準水圧値及び前記変動水圧値と、水圧値と水深位置との比例式と、に基づいて前記抵抗体及び前記圧力センサの鉛直方向の移動距離を算出すること、前記移動距離と、前記抵抗体に掛かる重力、浮力、抗力、揚力に基づいた力のモーメントの釣合式と、に基づいて流速値を算出すること、を特徴とする。
前記水圧測定手段は、前記抵抗体が潮流を受けていない状態での水深位置の基準水圧値を測定すること、前記抵抗体が潮流を受けて前記抵抗体が上昇移動したときの水深位置の変動水圧値を測定すること、を有し、
前記演算手段は、前記基準水圧値及び前記変動水圧値と、水圧値と水深位置との比例式と、に基づいて前記抵抗体及び前記圧力センサの鉛直方向の移動距離を算出すること、前記移動距離と、前記抵抗体に掛かる重力、浮力、抗力、揚力に基づいた力のモーメントの釣合式と、に基づいて流速値を算出すること、を特徴とする。
請求項１―５記載の発明によれば、超音波や電磁波を利用せずに所定の水深の流速値を精度よく測定することができ、かつ、安価で取り扱いが容易である流速測定装置及び流速測定方法を提供することが可能である。
（実施形態）
本発明の実施形態に係る流速測定方法及び流速測定装置の一例について図１−２に基づいて詳細に説明する。
本発明の実施形態に係る流速測定方法及び流速測定装置の一例について図１−２に基づいて詳細に説明する。
流速測定装置は、水面上に浮遊するブイ１０と、ブイ１０から所定の水深まで垂下されて水圧値を測定する水圧測定部２０と、水圧値に基づいて流速値Ｕを演算する演算部３２と、流速値Ｕを受信して保存するための外部のサーバー装置に送信する通信部３０と、を主体として構成されるものである。
ブイ１０は、水面上に浮遊するための上下ほぼ対称の略円錐状の浮力体１１と、浮力体１１の下端に水圧測定部２０の索体２３を任意の角度で揺動するように係留するための環状の係留環１２と、を有するものである。また、ブイ１０は、水面上に位置する浮力体１１の上部から上方に設けられた支柱１３において、後述する演算手段の数値計算プログラム等が組み込まれたコンピュータ等からなる演算部３２と、流速値Ｕを外部のサーバー装置に送信する送信アンテナ等を備えた特定小電力無線局、携帯通信網、衛星通信網等の無線通信技術を利用した無線通信装置からなる通信部３０と、LEDライトを備えた電灯部３３と、これらの通信部３０、電灯部３３、演算部３２、及び、水圧測定部２０を動作させるための電源部３１と、が備え付けられているものである。
水圧測定部２０は、潮流Ｃによって移動する抵抗体２１と、抵抗体２１を所定の水深位置まで垂下させる索体２３と、所定の水深位置の水圧値を測定するための圧力センサ２２と、からなるものである。なお、この圧力センサ２２は、一般的な水圧を測定することが可能なものであればよく、本実施形態ではハネウェル社製（型式：PX2AN1XX100PSACX）のものを用いる。
抵抗体２１は、潮流を受けると最も抵抗を受ける向きに抵抗体２１を回転させるために、潮流から抵抗を受けるための略長方形状の受流面を備えた長板部２１ａ、２１ａと、長板部２１ａ、２１ａの受流面が潮流の流速方向に対して常に垂直方向から入射するように調整する短板部２１ｂ、２１ｂと、を略十字状に配置して形成されたものである。また、この抵抗体２１は、この長板部２１ａ、２１ａの両端付近をやや内側方向に折り曲げてなる折曲部２１ｃ、２１ｃと、抵抗体２１の中心において、圧力センサ２２及びそれらをつなぐ接続ケーブルを内包するための略菱形状の角筒で形成された空間からなる格納部２１ｄと、を有するものである。なお、この長板部２１ａ、２１ａ及び短板部２１ｂ、２１ｂは、アルミニウム合金等の金属材を主体として形成されるものである。
索体２３は、所定の水深まで圧力センサ２２を沈水して垂下し得る程度の長さを少なくとも有し、その長さは測定したい水深位置に応じて調整可能なものであり、圧力センサ２２で測定した水圧値を演算部３２まで送信する接続ケーブルと、接続ケーブルを被覆する被覆管と、からなるものである。
また、図示しないが、上述したサーバー装置に蓄積された流速値Ｕは、時刻毎の流速値Ｕの表やグラフ化したものなどに解析された後、利用者は、流速測定装置の付近にいなくとも、コンピュータやスマートフォン等の情報端末からインターネットを介して閲覧することが可能である。
次に、上述した流速測定装置を用いて所定の水深における流速値Ｕを測定する流速測定方法について図３に基づいて詳細に説明する。
（流速測定方法）
流速測定方法は、ブイ１０から所定の水深位置まで垂下させた圧力センサ２２によって水圧値を測定する水圧測定手段と、水圧値から流速値Ｕを演算する演算手段と、を主体として有することを特徴とする。
流速測定方法は、ブイ１０から所定の水深位置まで垂下させた圧力センサ２２によって水圧値を測定する水圧測定手段と、水圧値から流速値Ｕを演算する演算手段と、を主体として有することを特徴とする。
水圧測定手段は、水圧測定部２０に設けられた圧力センサ２２によって、抵抗体２１の水深位置の水圧値を測定する。より具体的には、抵抗体２１及び索体２３が潮流を受けていない状態での水深位置の基準水圧値を測定する。また、抵抗体２１及び索体２３が潮流を受けて抵抗体２１が傾斜角θで傾斜するように上昇移動したときの水深位置の変動水圧値を測定する。なお、この変動水圧値は、水深が浅くなるにつれて基準水圧値より減少するものである。
演算手段は、次の演算工程(S1、S2、S3)を経て水深位置の移動距離ｙから傾斜角θを算出した後、当該傾斜角θから流速値Ｕを算出するものである。
(S1)上記水圧測定手段によって測定された基準水圧値から変動水圧値の差分と、予め演算部に記憶された水圧値と水深位置との比例式と、に基づいて抵抗体２１及び圧力センサ２２の鉛直方向の水深位置の移動距離ｙを算出する。この水圧値と水深位置との比例式は、水圧値の減少に比例して水深位置が水面方向に上昇するものであり、その比例定数は、所定の水域を想定した水槽実験等から算出されたものを用いる。
(S2)水深位置の移動距離ｙ及び抵抗体中心の長さＲに基づいて、係留環１２の位置を中心点とする傾斜角θを算出する。
(S3)この傾斜角θに基づいて、抵抗体２１に作用する力のモーメントの釣合式を抵抗体２１固有の重力と浮力、及び、潮流によって抵抗体２１及び索体２３に生じる抗力と揚力による力のモーメントの釣合式に基づいて、抵抗体２１の水深位置における流速値Ｕを算出する。
(S1)上記水圧測定手段によって測定された基準水圧値から変動水圧値の差分と、予め演算部に記憶された水圧値と水深位置との比例式と、に基づいて抵抗体２１及び圧力センサ２２の鉛直方向の水深位置の移動距離ｙを算出する。この水圧値と水深位置との比例式は、水圧値の減少に比例して水深位置が水面方向に上昇するものであり、その比例定数は、所定の水域を想定した水槽実験等から算出されたものを用いる。
(S2)水深位置の移動距離ｙ及び抵抗体中心の長さＲに基づいて、係留環１２の位置を中心点とする傾斜角θを算出する。
(S3)この傾斜角θに基づいて、抵抗体２１に作用する力のモーメントの釣合式を抵抗体２１固有の重力と浮力、及び、潮流によって抵抗体２１及び索体２３に生じる抗力と揚力による力のモーメントの釣合式に基づいて、抵抗体２１の水深位置における流速値Ｕを算出する。
この力のモーメントの釣合式は、より具体的には、次の数式１のように与えられるものであり、主として流速によって生じる抗力、揚力の垂直成分が抵抗体２１及び索体２３の重力、浮力との力の釣合を示したものであり、抗力及び揚力は潮流の流速値Ｕに依存するものである。
上記数式１の力のモーメントＭp、Ｍpw、Ｍr、Ｍrw、Ｍlは、それぞれ抵抗体へ作用する流圧による抗力のモーメント（Ｍp）、抵抗体及び圧力センサの水中重量によるモーメント（Ｍpw）、抵抗体へ作用する揚力のモーメント（Ｍl）、索体へ作用する流速による抗力のモーメント（Ｍr）、索体の水中重量によるモーメント（Ｍrw）であり、より具体的には、次の数式２のように定義する。なお、抵抗体２１にかかる重力と浮力との影響を考慮した抵抗体２１及び圧力センサ２２の合計した水中重量Ｗ、索体２３の水中重量Ｖとし、抵抗体２１中心の長さＲは索体の長さＬに抵抗体２１の高さｈの半分を足したものとする。
また、この抵抗体２１の揚力係数ＣLは、次の数式３によって定義される。
また、この抵抗体２１の揚力係数ＣLは、次の数式３によって定義される。
この比例定数Ｃ1、Ｃ2、Ｃ3、Ｃ4は、予め水槽実験における既知の流速値Ｕに対する抵抗体２１の傾斜角θを測定した測定結果に対して、数式１に数式２代入した式を用いて、フィッティングすることで得られるものであり、本実施形態における抵抗体２１を用いて水槽実験をしたところ、比例定数は、Ｃ1：22.115、Ｃ2：-47.358、Ｃ3：32.756、Ｃ4：-6.8385となった。なお、上記数式１、２、３、において、抵抗体２１及び索体２３の固有のパラメータは以下のものを使用している。
Ｕ： 流速値(m/s)
ａ： 抵抗体の幅(m)
ｈ： 抵抗体の高さ(m)
Ｗ： 抵抗体及び圧力センサの水中重量(kg)
Ｌ： 索体の長さ(m)
ｄ： 索体の外径(m)
Ｖ： 索体の水中重量(kg)
ＣL： 揚力係数
ρ： 海水の密度（例えば1025kg/m3）
ｇ： 重力定数（9.8m/s2）
Ｕ： 流速値(m/s)
ａ： 抵抗体の幅(m)
ｈ： 抵抗体の高さ(m)
Ｗ： 抵抗体及び圧力センサの水中重量(kg)
Ｌ： 索体の長さ(m)
ｄ： 索体の外径(m)
Ｖ： 索体の水中重量(kg)
ＣL： 揚力係数
ρ： 海水の密度（例えば1025kg/m3）
ｇ： 重力定数（9.8m/s2）
したがって、上述した数式１に数式２、３を代入することで、抵抗体２１に掛かる揚力による影響を考慮した抵抗体２１の水深位置の流速値Ｕを傾斜角度θと変数とすることができ、上述する水圧測定手段によって得られた変動水圧値と、水圧値と水深位置の関係式と、に基づいて算出された傾斜角θを代入することで、潮流の流速値Ｕを算出することが可能である。
上記の実施形態では本発明の好ましい実施形態を例示したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で改善や変更が可能である。例えば、水圧測定部で測定した水圧値を通信部で外部のサーバー装置に送信した後、サーバー装置上に併設された演算部によって流速値を算出するようにしてもよい。
10…ブイ、11…浮力体、12…係留環、13…支柱、
20…水圧測定部、21…抵抗体、21a…長板部、21b…短板部、21c…折曲部、21d…格納部、22…圧力センサ、23…索体、
30…通信部、31…電源部、32…演算部、33…電灯部、
θ…傾斜角、ｙ…水深の移動距離、C…潮流、R…抵抗体中心までの長さ。
20…水圧測定部、21…抵抗体、21a…長板部、21b…短板部、21c…折曲部、21d…格納部、22…圧力センサ、23…索体、
30…通信部、31…電源部、32…演算部、33…電灯部、
θ…傾斜角、ｙ…水深の移動距離、C…潮流、R…抵抗体中心までの長さ。
また、上述した構成に加え、通信部は、特定小電力無線局、携帯通信網、衛星通信網の無線通信技術を利用した無線通信装置を有することが好ましい。
また、本発明の流速測定方法は、ブイから所定の水深位置まで圧力センサ及び抵抗体を垂下して水圧値を測定する水圧測定手段と、前記水圧値から流速値を算出する演算手段と、を備えてなり、
前記水圧測定手段は、前記抵抗体が潮流を受けていない状態での水深位置の基準水圧値を測定すること、前記抵抗体が潮流を受けて前記抵抗体が上昇移動したときの水深位置の変動水圧値を測定すること、を有し、
前記演算手段は、前記基準水圧値及び前記変動水圧値と、水圧値と水深位置との比例式と、に基づいて前記抵抗体及び前記圧力センサの鉛直方向の移動距離を算出すること、前記移動距離と、前記抵抗体及び索体に掛かる重力、浮力、抗力、揚力からなる力のモーメントの釣合式と、に基づいて流速値を算出すること、を特徴とする。
前記水圧測定手段は、前記抵抗体が潮流を受けていない状態での水深位置の基準水圧値を測定すること、前記抵抗体が潮流を受けて前記抵抗体が上昇移動したときの水深位置の変動水圧値を測定すること、を有し、
前記演算手段は、前記基準水圧値及び前記変動水圧値と、水圧値と水深位置との比例式と、に基づいて前記抵抗体及び前記圧力センサの鉛直方向の移動距離を算出すること、前記移動距離と、前記抵抗体及び索体に掛かる重力、浮力、抗力、揚力からなる力のモーメントの釣合式と、に基づいて流速値を算出すること、を特徴とする。
Claims (5)
- 水面上に浮遊するブイと、前記ブイ周辺の水域における所定の水深位置の水圧値を測定する水圧測定部と、前記水圧値に基づいて流速値を演算する演算部と、前記流速値を外部のサーバー装置に送信する通信部と、を備えてなり、
前記水圧測定部は、潮流によって移動する抵抗体と、前記抵抗体を前記ブイから所定の水深位置まで垂下させる索体と、前記水深位置の水圧値を測定するための圧力センサと、を有し、
前記演算部は、前記圧力センサの測定した変動水圧値と、水圧値と水深位置の比例式と、に基づいて前記抵抗体の鉛直方向の移動距離を算出すること、前記移動距離と、前記抵抗体及び前記索体に掛かる重力、浮力、抗力、揚力からなる力のモーメントの釣合式と、に基づいて流速値を算出すること、を特徴とする流速測定装置。 - 抵抗体は、潮流を受けると最も抵抗を受けるように回転させることができるように、潮流から抵抗を受けるための略長方形状の受流面を備えた長板部と、前記長板部の受流面が潮流の流速方向に対して常に垂直方向から入射するように調整する短板部と、を略十字状に配置して形成されることを特徴とする請求項１記載の流速測定装置。
- 抵抗体は、前記抵抗体の中心において、圧力センサを内包するため角筒で形成された空間からなる格納部を有することを特徴とする請求項１又は２のいずれか一項に記載の流速測定装置。
- 通信部は、特定小電力無線局、携帯通信網、衛星通信網等の無線通信技術を利用した無線通信装置を有することを特徴とする請求項１記載の流速測定装置。
- 流速測定方法は、ブイから所定の水深位置まで圧力センサ及び抵抗体を垂下して水圧値を測定する水圧測定手段と、前記水圧値から流速値を算出する演算手段と、を備えてなり、
前記水圧測定手段は、前記抵抗体が潮流を受けていない状態での水深位置の基準水圧値を測定すること、前記抵抗体が潮流を受けて前記抵抗体が上昇移動したときの水深位置の変動水圧値を測定すること、を有し、
前記演算手段は、前記基準水圧値及び前記変動水圧値と、水圧値と水深位置との比例式と、に基づいて前記抵抗体及び前記圧力センサの鉛直方向の移動距離を算出すること、前記移動距離と、前記抵抗体及び前記索体に掛かる重力、浮力、抗力、揚力からなる力のモーメントの釣合式と、に基づいて流速値を算出すること、を特徴とする流速測定方法。
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