JP2756647B2 - 大幅水位測定方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、音波を使用して距離を
測定する技術と関連されたもので、水位が大幅に、更
に、周辺温度、湿度等が甚だしく変化する貯水池、大河
川、地下水等の水位を測定するのに、主に活用される音
波水位計を設けた大幅水位測定方法及びその装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】水文観測用水位計の最も代表的なもの
が、浮具（ｆｌｏａｔ）水位計である。該浮具水位計
は、電源なしにても機械式自動水位記録機を動作せしめ
ることができるし、又、浮具水位計の滑車に“角度・コ
ード”転換機を連結させ、遠隔測定（ｔｅｌｅｍｅｔｒ
ｙ）システムを構成するのにも便利である等の長点があ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】水位測定範囲（最小、
最大水位変化幅）が大きい場合、浮具水位計を利用する
において、次のような欠点等がある。

【０００４】浮具水位計は、垂直のみで動作するため
に、必ず水位計を設置するためには、垂直にてなる構造
物、例えば、“塔”を建設しなければならない。貯水池
において、水位が数１０ｍ変化するとなれば、数１０ｍ
以上の高さの塔を建設しなければならない。

【０００５】浮具水位計の感度は、浮具の直径にほぼ比
例する。従って、深い地下水水位自動記録、又は、遠隔
測定を成すためには、既に設置された地下水水位観測用
測定管（ｗｅｌｌ）の直径が不足なるため、直径が大き
い測定管を設置しなければならない。

【０００６】水位測定範囲が数１０ｍとなれば、浮具と
水位計を連結するロープも、数１０ｍになるところ、周
辺温度の変化に従って、ロープの熱伸長、伸縮による水
位測定誤差が大きくなる。

【０００７】浮具水位計矯定検査装置も垂直形にてなさ
れていなければならないところ、測定範囲が数１０ｍに
なるとすれば、矯定検査装置の高さも数１０ｍにならな
ければならないところ、矯定装置も複雑となる。

【０００８】このような欠点等によって、浮具水位計の
水位測定範囲が制限され、水位変化が大きい、貯水池、
大河川、地下水の水位測定に使用するのが難しいのであ
る。

【０００９】更に、どのような水位計を使用するとして
も、貯水池、河川水位を測定するにおいて、水位の振動
（例えば、波濤が起きて）を鎮める対策を立てなければ
ならないところ、たまには複雑な構造物を建設しなけれ
ばならない。

【００１０】前記した浮具水位計の欠点を考慮して、多
様な水位計が開発されている。例を挙げれば、貯水池水
位を測定するために、水位を直接測定せずに、貯水池の
水深を測定して、水深を知ってから水位にて換算するこ
ともできる水深計もある。

【００１１】実例として、圧力センサーを一定なる深さ
に設置し、水の圧力、即ち、水柱圧を測定する水深計も
ある。このような水深計の欠点は次の通りである。

【００１２】圧力センサーを正確に指定された位置に設
置するが、圧力センサーと圧力計測器を連結せしめるケ
ーブル線と、大気圧を圧力センサーに伝達するパイプ等
を、貯水池のふもとに沿って設置するには、水中作業が
必要である。又、圧力センサーを周期的に交替しなけれ
ばならない等、補修運営も複雑である。

【００１３】圧力センサーの特性が優秀であるとして
も、水深Ｈ測定は、Ｈ＝（Ｐ−Ｐ_ｏ）／ρ（ここで、ρ
−水の密度、Ｐ_ｏ−大気圧）式によって計算されるとこ
ろ、貯水池の水深線上の平均密度が不変する正数でな
く、温度、成分に従って変化し、又、大気圧Ｐ_ｏも変数
であるところ、この正確な補償も容易でない。

【００１４】この外に大きい貯水池における波高も数ｍ
になる時が多く、水深測定誤差も少なくない。

【００１５】超音波水深計もあるが、圧力センサーのよ
うに超音波振動子を水中に設置する時は、圧力センサー
を使用する時発生する誤差より、もっと大きくなること
もあるし、設置作業運営補修の欠点も同一である。

【００１６】液面において、一定なる間隔に超音波振動
子（ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）を
設置し、超音波パルスを発射させる瞬間から、超音波パ
ルスが空気において伝播して液体表面において反射さ
れ、超音波振動子まで到達する瞬間までの時間ｔを測定
して、超音波振動子と液面までの距離、即ち、水位Ｌを
測定する超音波水位計が産業用として多く開発されてい
る。水位Ｌは

【数６】 式にて測定される。ここで、Ｃ−水位測定時の空気中に
おける音波伝播速度、即ち、音速である。

【００１７】空気、又は、他の気体における音速は、気
体の温度、圧力、湿度に従って、甚だ変化する変数であ
るために、必ず、水位測定する瞬間に、音速を正確に知
ればこそ、水位測定誤差が小さくなる。

【００１８】超音波水位計において、音速Ｃを補償する
方法の中で、二つの種類が広く知られている。

【００１９】一つの方法は、空気の成分が一定であり、
同時に超音波振動子と液体表面までの間隔において、温
度が同一であると仮定し、超音波振動子と温度センサー
を複合させ、温度測定を成し、音速Ｃを計算する方法で
ある。

【００２０】例えば、空気における音速は、

【数７】 との関係式を使用することもできる。ここで、α−音速
温度計数、Ｔ−空気の温度である。Ｃ_ｏ−空気温度が０
℃である時の音速である。このように温度計を使用し、
音速を測定して水位を計算する超音波水位計は、主に、
密閉された容器において、水位変化がそれほど大きくな
い場合に主に利用されている。

【００２１】しかし、貯水池、大河川、地下水の水位を
測定する時は、水位Ｌが数１０ｍまで変化するので、Ｌ
区間の空気温度分布が、甚だしく変化され得るので、一
つの地点において測定された温度で、Ｌ区間の平均音速
を正確に補償することができない。それのみならず、気
体、圧力、成分変化に伴う音速変化は、補償することが
できない。

【００２２】又、広く知られている、他の音速補償方法
は、超音波振動子において、垂直に一定な間隔ｌに反射
片、又は、反射棒を設置し、反射棒から超音波が反射し
て、超音波振動子に到達する時間ｔ_ｏを測定して、水位
Ｌを

【数８】 式にて測定する方法である。ここで、ｔ_ｏ＝２ｌ／Ｃ，
ｔ＝２Ｌ／Ｃとして仮定したものであるが、これを、式
３に代入すれば、Ｌになるものである。

【００２３】このような方法は、ｌ区間における音速Ｃ
_ｌとＬ区間における音速Ｃ_Ｌが同一なる場合、即ち、Ｃ
_ｌ＝Ｃ_Ｌ＝Ｃにてなる場合には、音速補償誤差は無い。
それのみならず、温度計を利用して音速を補償する方法
に比して、音速補償効果ももっと大きい（前記した超音
波水位計等は、Ｕｌｔｒａｆｌｕｘ社、Ｔｏｋｉｍｅｃ
社等において、開発して販売されている）。しかし、若
しも、Ｃ_ｌとＣ_Ｌが同一でない場合、式２によって測定
された水位Ｌ′は、

【数９】 になるものである。測定された水位Ｌ′と真水位Ｌと対
比して水位測定相対誤差を求めて見れば、次のようにな
る。

【数１０】

【００２４】図９に図示したもののように、Ｌ区間にお
いて空気温度がどのような勾配（ｔａｎ）にて直線に分
布されていると仮定しよう。超音波振動子の位置“０”
における温度Ｔ_ｏ，ｌ間隔において、即ち、反射棒が位
置した点における温度をＴ_ｌ、更に、水面における温度
をＴ_Ｌであるとすれば、ｌ区間において、更にＬ区間の
平均温度は各々

【数１１】

【数１２】 になる。

【００２５】式５において示されたところのように、Ｔ
_ｏ＝Ｔ_Ｌになれば、相対誤差がδ_Ｌ′＝０になり、又、
Ｔｏ≠Ｔ_Ｌの場合にｌ／Ｌ比率が１に近付くほど相対誤
差は小さくなる。しかし、水位Ｌがｌに比して数１０倍
大きく変化する条件においては、温度差Ｔ_ｏ−Ｔ_Ｌも大
きくなり得るし、ｌ／Ｌ比が小さくなるにっれて、誤差
も大きくなる。このようなことを参酌して、水位測定範
囲を普通Ｌ＝２ｌ〜５ｌ程度に取る。

【００２６】貯水池、河川、地下水の水位測定許容誤差
は、測定全域に亘って、±１ｃｍ以下を要求していると
ころ、前記した超音波水位計の音速補償方法を使用する
ことができない。（例：ｌ＝０．５ｍ、Ｌ＝２０ｍ，Ｔ
_ｏ＝３０℃，Ｔ_Ｌ＝２０℃、α＝０．６である時

【数１３】 絶対誤がほぼ１７ｃｍにもなる。若し、ｌ＝５、又は、
１０ｍにて取るとしても、前記の例において水位測定絶
対誤差は、Δ_Ｌ′＝１３ｃｍ，８ｃｍになる。若しも、
温度差が５℃になれば、（Ｔ_ｏ＝２５℃）Δ_Ｌは前記し
た誤差のほぼ１／２になる。即ち、８．５，６．５，４
ｃｍになる。）

【００２７】

【課題を解決するための手段】本発明は、温度測定、反
射棒を利用する２種の音速補償方法の全ての欠点を除去
すべく、測定範囲が大きい時にも、音速変化による水位
測定誤差が、水位測定範囲全域に亘って、増加されない
音波水位計を提供することが主な目的である。

【００２８】本発明の他の目的は、貯水池、大河川の水
位を測定する場合において、浮具水位計のように、垂直
に動作する水位計を利用するための垂直塔を建設する必
要も無く、又、水位の揺動を鎮める装備も必要なく、水
位計を貯水池、又は、河川のふもとの傾斜面に沿って、
傾斜に設置するように成されており、設置、施設費を大
幅縮小せしめることができる大幅水位測定装置及び方法
に関するものである。

【００２９】本発明の、又、他の目的は、地下水水位観
測網において、地下水水位測定を目動化するにおいて、
地下水水位観測管８（ｗｅｌｌ）を直接使用することが
できる、音波水位計を設けた、大幅水位測定装置及び方
法に関するものである。

【００３０】本発明は、大幅水位測定装置及び方法に関
するもので、測定しようとする水位に関連して、所定の
長さで選択される導波管には、その上部に音波パルスを
発生せしめる音波パルス発生機が固定されており、音波
パルス発生機より音波パルスを受信すべく導波管に沿っ
て発生機から下方の水位測定原点に対応する位置に、音
圧感知機にてなる、第１マイクロホンが設置されると同
時に、該第１マイクロホンの位置から水面に向けて順次
一定なる間隔ｌにて第２，３，…，第ｎマイクロホンが
固定されて、所定の周期で音波パルス発生機より発射し
たイムパルスを第１及び第２、…第ｎマイクロホン等が
前進波と反射波を受信し、該信号等が増幅され、波型成
形され、演算制御器に印加されるので、第１マイクロホ
ンが前進波と反射波を受信した時間間隔ｔ_１を測定し、
又、水表面にもっとも近くにある第ｎマイクロホンと、
第１マイクロホンが受信した時間間隔ｔ_ｎ−１を測定し
て、水位Ｌを計算するように成す。

【００３１】球形にて成された浮具（ｆｌｏａｔ）があ
り、任意の傾斜角にて設置することができるように成さ
れている。

【００３２】水位変化が大きくない河川においては、導
波管を勿論垂直にて設置することができるしこの時には
具が必要でなくなる。

【００３３】本発明は、地下水水位の測定のために、導
波管の代わりに地下水管内部に、第１及び第２，３，
…，第ｎマイクロホンを固定した支持棒を挿入されるよ
うになされている。

【００３４】

【実施例】本発明を添付図面に拠って、詳細に記述すれ
ば次の通りである。図１に、本発明の音波水位計の音波
水位計の概略的なブロック線図にて、水位計が垂直に設
置された場合が図示されている。

【００３５】先ず、導波管２（例えば、パイプ管）は、
測定しようとする水位がもっとも低いところに、その下
部となり、導波管２の総長さは、水位変化前の幅の長さ
より長くなっている。導波管２の上部終端に音波パルス
発生機１が設置されており、音波パルス発生機１より音
波パルスを受信すべく導波管２に沿って発生器１から下
方の水位測定原点に対応する位置に音圧感知機にて成る
第１マイクロホン５_１が設置されており、そして、第１
マイクロホン５_１の位置から水面に向けて順次一定なる
間隔ｌにて第２マイクロホン５_２，第３マイクロホン５
_３，…，第ｎマイクロホン５_ｎが設置されている。

【００３６】該音波水位計を動作させれば、図２・Ｉに
おいて示したところのように、音波パルス発生機１にイ
ムパルスを印加する発振器６が発振する。（勿論、イム
パルスの代わりに、サイン波が１〜２周期となるパルス
にて音波パルス発生機１を稼動しても構わない）。

【００３７】音波パルス発生機１より音波パルスは図２
・ＩＩのように発生され、導波管に沿って伝播するよう
になる。一番目音波発射信号を音波パルス発生機１に印
加した時、マイクロホンスイッチ回路４は、第２のマイ
クロホン５_２が増幅器７入力と連結された状態に成され
ている。マイクロホン５_１は、常に、増幅器７に連結さ
れている。

【００３８】従って、図２・ＩＩＩのように、始めにマ
イクロホン５_１が前進波を受信し、ｌ／Ｃの時間差にて
マイクロホン５_２が受信し、液面において、反射された
音波パルスをマイクロホン５_２、更に、５_１の順序にて
受信するようになる。

【００３９】順次に現れるマイクロホン５_１と、５_２の
出力信号は、増幅器７に入力され増幅される。増幅器７
は、音波発射信号が演算制御器１０より発生された後、
一定なる時間が経過した後より、増幅度が時間に従って
増加され、４度マイクロホン出力信号が現れれば、増幅
度が原状態にもどるようになされており、増幅器出力信
号の振幅は、どの間隔から音波が反射されるとしても、
図２・ＩＶのように一定になる（該回路は特許対称でな
いために、詳細な説明は省略する）。

【００４０】増幅器７の出力は、検出器８に入力され、
検出器８は入力された信号の最大振幅になる半周期がゼ
ロクロシング点“０”にて成る瞬間（図２には１．５周
期を示している。）を捕着して、図３にＥのようなパル
スを発生する。該パルスを直接使用することもできる
し、又は、波型成形器９に入力させ、図２・ＶＩのよう
にパルスを発生させ、時間測定、繰返し測定回数及び平
均値を演算して、水位を計算する演算制御器１０に入力
せしめる。１１はディジタルディスプレーである。

【００４１】１２は、演算器１０の出力信号をアナログ
信号（電流、周波数）にて転換させるディジタル／アナ
ログ変換器である。該ディジタル／アナログ変換器１２
の出力は、自動水位記録器に入力されることもあり、又
は、遠隔測定（ｔｅｌｅｍｅｔｒｙ）システム送信入力
に加えられることもある。

【００４２】一方、マイクロホン５１の位置が測定
“０”点にて成る。４個の成型されたパルスが制御演算
器１０に入力されるに従って、図２・ＶＩに表示した時
間間隔ｔ_２とｔ_１を測定し、次の式により測定しようと
する水位Ｌの近似値を計算する。即ち、

【数１４】 ｌ区間における音速Ｃ_２とＬ区間における音速Ｃ_１が同
一でないために、式６にて算出された水位値は正確でな
い。Ｌ′値を計算し、液面より最も近い位置にあるマイ
クロホン５_ｎを次の式により計算して選択する。

【数１５】 ｎ＋１になれば、ｎ番目マイクロホン５_ｎを選択し、若
しもｎになれば、ｎ−１番目マイクロホン５_ｎ−１を選
択しなければならないとのことを制御演算器１０が判断
して、スイッチ回路４を動作させ、選択したマイクロホ
ン（図１において５_ｎ）を増幅器７と連結せしめる。

【００４３】スイッチ回路４の動作が終われば、音波発
射信号を制御演算器１０において音波パルス発振機６に
印加され、音波パルス発生機１が動作するようになる。
この時、マイクロホン５_１と５_ｎが受信した信号は、図
２・ＶＩＩのようになり、成型された後には、図２・Ｖ
ＩＩＩのようになる。

【００４４】制御演算器１０は、時間間隔ｔ_２とｔ_１を
測定し、次の式にて正確な水位Ｌを計算する。

【数１６】 ここでｎは−動作しているマイクロホン番号であり、ｌ
はマイクロホン等間の間隔である。

【００４５】式８の代わりに選択したマイクロホン５_ｎ
までの長さＬ_ｏは、既に知っている値であるために、次
の式にて水位Ｌを計算することもできる。

【数１７】

【００４６】しかし、Ｌ_ｏ区間における音速Ｃ_２とＬ区
間における音速Ｃ_１が、完全に一致され得ることはでき
ず、式９によって測定された水位は次の通りである。

【数１８】 これに因る水位測定誤差は

【数１９】 になると思われる。

【００４７】従前技術の誤差分析したもののように、
“０”点と“Ｌ”点における温度差が直線にて分布され
ていると仮定すれば、水位測定相対誤差は次の通りであ
る。

【数２０】 ここで、ΔＬは選択したマイクロホン５_ｎより液面まで
の間隔長さである。従って、期待することができる最大
の誤差はΔＬ≒ｌの時である。

【数２１】

【００４８】従前の技術とは正反対に（式５参照）本発
明によれば、測定範囲Ｌが大きいけば大きいほど、相対
誤差は小さくなり、絶対誤差は測定範囲に係わりなく変
化しない。絶対誤差Δ_Ｌは次の区間において変化する。
（音速補償誤差）

【数２２】

【００４９】若しも、絶対誤差Δ_Ｌの許容値が与えら
れ、最大の温度差Ｔ_ｏ−Ｔ_Ｌ、更に、温度の和Ｔ_ｏ＋Ｔ
_Ｌが与えられた場合、マイクロホン間の間隔ｌは、次の
ように選定される。

【数２３】

【００５０】例えば、水文（ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ）観測
においては、水位測定許容誤差を測定前範囲において、
±０．０１ｍ（１ｃｍ）にて勧告しているところ、夏の
季節に、Ｔ_ｏ＝４０℃、Ｔ_Ｌ＝２５℃、冬の季節に、Ｔ
_ｏ＝０℃、Ｔ_Ｌ＝１５℃として見ればδ（Ｄｅｌｔａ−
Ｇｒｅｅｃｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒ）は次の通りであ
る。

【数２４】

【００５１】しかし、現地における導波管内部温度分布
は、直線にて変化しないし、更に緩和された分布になっ
ているために、夏の季節、冬の季節を全て考慮して、ｌ
≒１ｍにて取っても充分である。

【００５２】貯水池において空気中に露出された導波管
の長さが、８２ｍである時、ｌ＝２ｍにて試験した結
果、周辺温度が０℃〜４２℃、貯水池の水表面温度が１
５〜２４℃変化する条件において、最大絶対誤差が±１
ｃｍを超過しなかったし、平均±４ｍｍであった。

【００５３】前記した測定方法の外に、誤差をもっと縮
小するために、液面にもっとも近いところに固定された
二つのマイクロホン間の音波パルス伝播時間を測定し
て、ΔＬを計算することができるが、実験結果によれ
ば、誤差がかえって増加される。

【００５４】従前技術の誤差の実例を式１３に代入すれ
ば、最大絶対誤差は４ｍｍになる。従前技術における誤
差が１６８ｍｍであった。

【００５５】本発明においては、音波パルス周波数ｆを
導波管内径Ｄに従って、次のように選択する。

【数２５】 このような周波数音波パルスは、導波管においてほぼ平
面波にて伝播する。

【００５６】水位測定範囲１００ｍ程度保障しようとす
れば、導波管内径をＤ＝０．１ｍにて選択すれば充分で
ある。この時、音波パルス周波数は音速がＣ≒３５０ｍ
／ｓにてみればｆ≦３５０／２ ０．１＝１７５０Ｈｚ
になる。２０ｋＨｚ以上になる超音波パルスを使用しな
い。従って、減衰も小さいので測定範囲も大きいし、測
定誤差も小さい。

【００５７】本発明の特異なる点は、従前技術とは異な
り、音波を発信、受信する転換器が分離されていて、音
波伝播時間を測定するにおいて、電子回路、ケーブル線
等において発生する遅延時間を補償する必要がない。音
波伝播時間測定時、従前技術において発生する遅延時間
の一つのみを察して見ることにする。

【００５８】音波（超音波）発射受信交換器を１個使用
する時には、音波発射電気信号が、変換器（ｔｒａｎｓ
ｄｕｃｅｒ）に印加される瞬間が、音波伝播時間測定開
始となる。勿論、該瞬間に音波が発射されるのではない
けれども、変換器遅延時間を無視するとなれば、反射棒
において反射された音波も又、液面において反射された
超音波パルス受信信号は、図３に示した。

【００５９】反射波到達瞬間を例えば“０”点クロシン
グするとなれば、超音波信号の１．５乃至２周期が検出
される。若しも、超音波パルス信号周波数が２０ｋＨｚ
であれば、１．５〜２周期であると（０．７５〜１．
０）．１０^−４秒になる。このような遅延時間τを無視
すれば、水位測定誤差が発生するが、この時、水位Ｌ測
定絶対誤差ΔＬは、次の通りである。

【数２６】 ここで、Ｃ−音速、ｌ−超音波転換器より反射棒までの
間隔である。τ＝１０^−４，Ｃ＝３５０ｍ／ｓ，Ｌ／ｌ
＝１０であるとすれば、ΔＬ＝１１ｃｍになる。

【００６０】測定範囲が大きければ大きいほど、水位測
定誤差が増加するものである。従って、遅延時間を徹底
に補償しなければならない。

【００６１】特に、大幅水位計において、低い周波数を
使用するところ、例えば、２ｋＨｚを使用するとなれ
ば、前記例において遅延時間は、τ≒１０^−３秒になる
ものである。従って、遅延時間補償の誤差が１％になる
としても、前記例において誤差が１ｃｍになるものであ
る。

【００６２】しかし、本発明は、発信、受信変換器を分
離して使用するために、図４において示されるように、
周波数が低いとしても、前記した遅延時間が発生しな
い。

【００６３】このように、音速補償が徹底であり、伝播
時間測定において発生する遅延時間がないので、低い周
波数の音波を使用して、大幅水位測定が可能であり、
又、誤差も測定範囲に係わりなく、小さく保障すること
ができるものである。

【００６４】図５は、本発明に伴う音波水位計を地下水
水位測定用にて使用する実例を示したもので、導波管に
直接地下水水位観測管１４を使用する。水位観測管１４
は、その上部に音波パルス発生機１が設置される。

【００６５】マイクロホン５_１と５_ｎは、先ずマイクロ
ホン支持棒１３に、所定の間隔にて固定する。マイクロ
ホン支持棒１３を地下水水位観測管１４に挿入する。勿
論、水位計を設置するのは、観測員が巡回しながら、地
下水水位を観測するためのものでなく、一定な時間間隔
にて、地下水水位観測網の水位を遠隔自動測定する時、
又は、水位自動記録計を使用する時、利用される。

【００６６】図５は遠隔測定の例であるが、１５は、図
１に図示した電子回路等が含まれている測定器、１６
は、測定結果を無線にて電送する無線送信機であり、１
７は、指定された時間間隔にて測定器１５と無線送信機
１６に電源を供給して、動作せしめるタイマーと電源で
ある。

【００６７】普通、水位観測管１４の内径は、１０〜２
０ｃｍ程度になる。このような内径のパイプから、音波
パルス周波数を１〜１．５ｋＨｚを使用すれば、最大測
定範囲は、約２００ｍまで保障することができる。

【００６８】図５において、点線にて表示した曲線は地
下水俯角（ｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎ）曲線である。地下水
観測管内部における温度分布は、地表面より約５ｍの深
さにおいては、季節によって甚だしく変化し、更に、深
いほど温度変化が小さくなる。このようなことを参酌し
て、地下水水位測定範囲が大きいとしても、マイクロホ
ンを多く設置する必要はない。

【００６９】更に、本発明の、又、他の実施例において
は、水位計を設置するために、垂直塔を建設せずに、音
波水位計導波管を貯水池、又は、河川のふもとの傾斜面
に沿って、傾斜にて設置して、水位計設置工事費を顕著
に低下せしめることができてるし、図６に本発明の水位
計を傾斜にて設置した場合が図示されている。

【００７０】

【数２７】 傾斜面に沿って字型の溝型鉄製（ｓｔｒｕｃｔｕｒａ
ｌ ｃｈａｎｎｅｌ）にて成る支持体１８を固定させ、
該支持体に沿って導波管２を設置する。該支持体１８に
沿って挿入、又は、巻揚させることができるべく導波管
２、又は、字形鉄製の支持体にローラー２０を設置す
る。このように角度β傾斜に導波管２を設置したなら
ば、音波パルスを反射させる液面は、導波管断面に対
し、９０゜−β角にて傾斜面を形成する。

【００７１】実験によれば、反射面の傾斜角に従って、
音波パルス前進波形と、反射波形が相互同じくない。勿
論、反射は良好にできる。因って、液面の傾斜度によっ
て水位計矯定過程において測定値と、導波管中心線に伴
う液面までの距離とは差異を検出して、測定結果を修正
しなければならない。

【００７２】このように、数々の傾斜角に対する修正計
数を算出して適用するよりは、図６に図示したもののよ
うに、球形の浮具１９を導波管に投入するのが、傾斜角
に係わらず修正値は同一である。該浮具１９の直径は、
導波管の内径より約５〜１０％程度小さく取る。又、液
体内に浸水される部分は、浮具１９の半径程度になるよ
うに、浮具１９の重量を調節する。勿論、浮具は音波を
吸収しない固体にて製作する。

【００７３】実験によれば、半球形面において反射され
た時の音波パルス受信信号は、平面において反射された
時と比較すれば、約２％程度弱くなるのみである。（１
〜２ｋＨｚを使用する時）この時、測定された距離は、
球形浮具半径の３／５程度短くなる。このような差異Δ
は矯定検査時正確に測定され、水位計を設置する時、マ
イクロホン５_１の位置を基準“０”点において、前記し
た差異だけ上に移して、導波管を固定させれば良い。

【００７４】球形の浮具を使用することにより、導波管
の傾斜角度に係わり無く、修正値が一定であり、もっと
も重要なことは、該浮具が導波管の壁に当たって、摩擦
があっても水位変化に従って、浮具が回転しながら水面
に沿って移動するために、甚だ信頼性が高い。水位Ｈは
次のように測定される。 Ｈ＝Ｌｓｉｎβ＋Δ

【００７５】傾斜にて導波管を設置する場合、水位計の
感度は更に大きくなる。

【００７６】図６において、２１は導波管の末端部分で
あるが、水位の揺動を鎮めるため、導波管末端の断面積
を小さく造らなければならない。しかし、水位が上昇、
降下する過程において、導波管に充積物（ｄｒｉｆｔ）
が生じることがある。

【００７７】微粒子等にて充積層が生ずれば、これを除
去するのが甚だ難しい。このようなことを考慮して、導
波管末端を図６に示したところのように、充積層が生じ
ないように、即ち、小粒子等が沈澱されないように、一
側にだけ断面積を狭める傾斜面を造成する。このように
しても長い時間が過ぎれば、充積層が形成され、導波管
が詰まることがある。従って、水位の揺動鎮静部は、用
意に新たなものにて交替することができるべく、組立て
式にて成されている。

【００７８】

【発明の効果】このように、本発明によれば、水位計導
波管を貯水池、又は、河川のふもとの傾斜面に沿って傾
斜にて設置することができて、浮子水位計等を使用する
時、必要な工事費が多く所用される垂直塔を建設する必
要が無い。

【００７９】傾斜角βが小さければ、同じ水位測定範囲
においても、導波管の長さがはるかに大きくなるとのこ
とが欠点となることがある。しかし、上流水量を季節別
に調節する人工貯水池のように、年間水位変化が５０〜
８０ｍにもなる場合に、例えば、β＝４５゜とすれば、
導波管の長さが７２〜１１５ｍ以上にならなければなら
ない。このように、甚だ長い導波管を設置することも難
しい。

【００８０】このような場合には、最も短い導波管を、
例えば、３０ｍの長さの導波管を使用することができ
る。図７に貯水池の水位Ｌ変化の例を示したが、図７に
おいて示されるように、季節別に２０ｍずつ、水位が変
化する時間幅が非常に大きい。従って、数か月に一度ず
つ水位計導波管をコ字形鉄製の支持体１８に沿って移動
させるのは、それ程難しくない。

【００８１】図８に一つの実例として、短い導波管を使
用する場合を図示した。図８において、２２は、巻揚機
であり導波管２はロープ２３にて巻揚機と連結されてい
て、数か月に一度ずつ巻揚機を動作させ、導波管２の位
置を変更せしめてやる。例えば、夏の季節に貯水量が増
加する時、導波管２を上に引上げて置く。

【００８２】水位変化が大きくない小さい河川、人工開
水路においては、本発明の水位計を垂直にて設置するこ
とが合理的であり、内径が５０ｍｍ，長さが５ｍ程度に
なる導波管を垂直に設置することは甚だ容易であり（例
えば、ロープで固定させる）費用も要らないのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の水位計の基本的な構成を示すブロック
線図である。

【図２】本発明の水位計動作の原理を説明する時間線図
である。

【図３】従来の水位計と本発明の水位計において発生す
る遅延時間分布図である。

【図４】従来の水位計と本発明の水位計において発生す
る遅延時間分布図である。

【図５】本発明の水位計にて地下水水位を測定する時の
構造図である。

【図６】本発明の水位計を傾斜にて設置する時の構造図
である。

【図７】貯水池の水位変化図である。

【図８】貯水池における本発明の水位計の他の利用方法
である。

【図９】従来の超音波水位計において反射片、又は、反
射棒を使用して音速補償する原理説明図である。

【符号の説明】

１ 音波パルス発生機 ２ 導波管 ４ スイッチ回路 ５_ｎ マイクロホン（感知手段） ６ 発振器 ７ 増幅器 ８ 検出器 ９ 波型成形器 １０ 制御演算器 １１ ディジタルディスプレー １２ ディジタル／アナログ変換器 １３ マイクロホン支持棒 １４ 水位観測管 １５ 測定器 １６ 無線送信機 １７ タイマーと電源 １８ 支持体 １９ 浮具 ２２ 巻揚機 ２３ ロープ

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 大幅水位測定装置において、 パイプ形態の音波パルスを伝播する導波管と： 導波管の上部に設置され、音波パルスを発生させる発生
   手段と： 発生手段より音波パルスを受信すべく導波管に沿って発
   生手段から下方の水位測定原点に対応する位置に第１、
   そして、その第１の位置から水面に向けて順次一定なる
   間隔１にて第２、…、第ｎの、マイクロホンにて成され
   る、音波パルスの前進波と反射波を受信する感知手段
   と： 水位に従って、必要なマイクロホンを切換える切換え手
   段と： 第１の感知手段よりのパルスを増幅し、波型成形された
   信号を受信して、受信された前進波と反射波の時間間
   隔、更に第１の感知手段と液面近くに設置された感知手
   段までの音波伝播時間を測定して水位を計算し、感知手
   段切り換え手段制御及び、音波パルス繰返し発振制御を
   遂行する演算制御手段と： 演算制御手段よりデータを表示する表示手段、演算制御
   手段よりのディジタルデータをアナログ信号にて変換す
   るディジタル／アナログ変換器と： 演算制御手段よりのデータを受信して、その結果を記録
   する記録手段にて構成せしめたことを特徴とする大幅水
   位測定装置。
2. 【請求項２】 水位計導波管内には、導波管内径の９０
   〜９５％の直径にて成された、球型の浮具を挿入して、
   胴体の半分を浮遊されるように成しながら、導波管を傾
   斜に設置して、水位測定が可能なるように成した請求項
   １記載の大幅水位測定装置。
3. 【請求項３】 導波管の代わりに、地下水水位観測管を
   利用する場合、マイクロホン等を所定の間隔にて支持す
   る支持棒を、観測管の内部壁に沿って設置した請求項１
   記載の大幅水位測定装置。
4. 【請求項４】 導波管下側端部が導波管本体の断面積よ
   り小さい頂点が切断された円錐型端部にて形成され、該
   端部には交替可能な端部固定装置が設置されるように成
   した請求項１記載の大幅水位測定装置。
5. 【請求項５】 水面上部に指定された原点から水面まで
   の距離Ｌを測定して水位を測定する方法において、 導波管上部に設置された音波パルス発生機が所定の周波
   数を有した音波パルスを発生させる段階と： 導波管には、その上部にその直径の所定倍数距離の間隔
   をおいて設置された第１マイクロホンと、第１マイクロ
   ホンの下部に１程度隔離されて設置した第２、…、第ｎ
   数個のマイクロホン各々が音波パルス発生機より発射し
   た前進波と該前進波の反射波を個別的に受信する段階
   と： これらの受信信号を増幅し、検出器に入力してこれら信
   号の最大振幅のゼロクロシング点を検出して、パルスを
   発生しせめる段階と： 該パルスを所定幅の整形波にて波型成形する段階と： これら波型成形された信号の各波型の上昇エッジを、第
   １マイクロホンと第２マイクロホンが受信した信号で区
   分して、第１マイクロホンが受信した前進音波パルスと
   反射波間の時間間隔ｔ_１と、第２マイクロホンが前進音
   波パルスを受信した時間間隔ｔ_２を測定して、近似水位
   Ｌ′算出する段階と： 測定しようとする水位の近似値を検出した結果を利用し
   て、液面付近に設置されたマイクロホンを選択して、切
   換え機を動作させて増幅器入力に連結させる段階と： 更に、音波パルスを発射し、第１マイクロホンが前進波
   と反射波を受信する時間間隔ｔ_１更に、第１マイクロホ
   ンにおいて、液面近くに設置されたマイクロホンまで、
   音波パルスが伝播した時間ｔ_ｎを測定して、正確な水位
   Ｌを算出する段階と： 該水位を海抜水位にて測定する場合、水位計測定原点の
   海抜高において測定された水位Ｌを減ずる段階にて成さ
   れた水位測定方法。
6. 【請求項６】 音波パルス振動周波数ｆが導波管の直径
   Ｄに従って、次のように選定され、 ここで、・予見する導波管内部空気における中間音
   速、 導波管内径Ｄ最大測定範囲に従って選択されるが、Ｌ≒
   １００ｍである場合、Ｄ≧１００ｍｍ，Ｌ≦２０ｍであ
   る場合、Ｄ≧５０ｍｍにて選択し、導波管に沿って設置
   されたマイクロホン間の隔離距離１は、次のように選択
   される請求項５記載の水位測定方法。 ここで、 Δ_Ｌ−水位測定全域における許容絶対誤差、 Ｔ_ｏ−導波管上部において第１マイクロホンが配列され
   た地点における空気、又は、他の気体温度、 Ｔ_Ｌ−導波管下端部内における空気、又は、他の気体の
   温度、 Ｃ_ｏ−空気又は他の気体の温度が０℃である時の音速、 α−空気又は他の気体の音速温度計数。
7. 【請求項７】 先ず、第１のマイクロホンの原点から水
   面までの距離Ｌの近似値を次の方式にて測定し、 この結果に従って、液面付近に設置されたｎ番のマイク
   ロホンを選択し、第１マイクロホンとｎ番マイクロホン
   まで、音波パルスが伝播した時間ｔ_ｎを利用して、次の
   方式にて正確な水位を測定する請求項５記載の方法。 導波管が傾斜にて設置された場合、 但し、この場合、原点において傾斜線に沿って一定なる
   間隔Δになる地点に、第１マイクロホンの原点が位置す
   るように成す。