JPH04138321A - 流量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は例えば水路を流れる自由水面を有する流体の
流量を測定する流量測定装置、特に流量の非接触測定に
関する。

［従来の技術］ 自由水面を有する流体が流れる水路の流量測定に速度・
面積法がある。水路の下部壁面に一組の超音波プローブ
を配設し、上水においては超音波伝搬時間差法、また下
水においては流体中の異物や気泡などからの反対による
ドアラ法を用いて流速測定を行い、別途水位を測定し水
位から流水断面積を求め上記流速との積から流量測定が
行われている。

、第４図は従来の流量測定装置の一例を示ずブロック図
であり、 開水路におけるドプラ式流量測定において、５は水路、
１９は水位センサ、２１は水位センサー９からの信号に
より作動する水位計、２３は流量演算器、２５は超音波
プローブ、２６は超音波プローブ２５の付勢ならびに反
射信号を受信する送受信回路、２７は受信信号からドプ
ラ信号を抽出するドプラ回路、２８はドプラ信号を流速
信号へ変換する流速変換器、２９は水位から水路５の流
水断面積を得る面積変換器である。

従来の流量測定装置は上記のように構成され、自由水面
を有する流体が流れる水路５の壁面に設けられた一組の
超音波プローブ２５は、一方が送受信回路２６からの信
号により付勢されて流体内へ超音波を放射し、他方は流
体内の異物や気泡などからの反射波を受波し、ドプラ回
路２７において流速に比例したドプラ周波数の信号が抽
出され、流速変換器２８においてドプラ周波数から流速
への信号変換が行われる。

また水路５の上部へ配置され流体へ向は超音波を放射す
る水位センサ１９からの信号により水位計２１にて流体
の水位が測定される。面積変換器２９において当該水位
に該当する水路５の流水断面積が得られる。

第５図は台形水路番こおける流水断面積の一例で、Ａ：
開口寸法、Ｂ：底辺寸法、Ｌｌ：水路の高さ、Ｌｏ　：
水位センサ１９の設定高さ、Ｌ：流体表面までの水位と
すると、流水断面積Ｓは次式にて示される。

流水断面積と上記流速との両信号が加えられる流量演算
器２３から水路５内流体の流量信号か出力される。

［発明か解決しようとする課題］ 上記のような従来の流量測定装置では、自由水面を有す
る流体か流れる水路５の壁面に送受波面か流体と接する
よう１組の超音波プローブ２５か配設されている。

超音波プローブ２５の水路５への装着や交換に際しては
、水路５の流体の水位を低下して行ねれるので作業は夜
間に制限される。また流量測定装置の試験には水路５内
の超音波プローブ２５が浸漬できる流体水位を要するの
で、保守点検が随時且つ迅速に行えず効率が低下する。

超音波プローブ２５は流体内に浸漬して使用されるので
、寸法の大きな異物や密度の高い気泡が流体に混入する
と、超音波か著るしく減衰して超音波伝搬が正常に行え
ず欠測が発生する。

また水路５内の水位が低下して超音波プローブ２５が露
出すると、流速測定ができなくなる。

そのときはマニングなどの公式を用いて水位から流量を
推定する方法がとられているため測定精度が劣化すると
いう問題点があった。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたもの
で、流体内の異物や気泡の影響を受けることなく、流体
と非接触にて各種流体の流量測定か低水位から測定でき
る流量測定装置を得ることを特徴とする特 許 ［課題を解決するための手段］ この発明に係る流量測定装置は、水路の上部空間に設け
られ流体表面のパターンに感応する複数の素子か配列さ
れたイメージセンサと、イメージセンサからの信号をデ
ィジタル信号に変換するＡ−Ｄ変換器と、Ａ−Ｄ変換さ
れた第１パターン情報を格納する第１メモリと、所定時
間遅延後のイメージセンサからのＡ−Ｄ変換された第２
パターン情報を格納する第２メモリと、メモリから読出
される両パターン情報のアドレスを指定しパターン情報
相互間の位相を調節する読出し制御回路と、メモリから
読出されたパターン情報の相互演算を行う相関器と、相
関関数が所定値に達したときのパターン移動量を検出す
る移動量検出器と、パターン移動量と遅延時間よりパタ
ーン移動速度を算出する移動速度演算器と、パターン移
動速度を表面流速へ変換する信号変換器と、イメージセ
ンサに近接して配設された水位センサと、水位センサか
らの信号により水位を測定する水位計と、水位信号から
水位の関数である流水断面積と表面流速から平均流速へ
の変換係数の積を出力する関数発生器と、関数発生器出
力と表面流速の積を出力し流量信号を算出する流量演紳
器を設けたものてか流れる水路の上部空間に流れ方向に
治って流体表面に発生する波紋や波などが作るランダム
なパターンに感応するイメージセンサ、ならびにこれと
近接して水位センサを設ける。異なる時限におけるイメ
ージセンサからの流体表面のパターン情報をＡ−Ｄ変換
してそれぞれのメモリへ格納する。メモリから読出され
た両者のパターン情報の相互間の位相を調節してその相
関関数が極大になる時のパターン移動量を求め、これに
よって得られたパターン移動速度からランダム現象を呈
する水路的流体の表面流速を測定する。水位センサと水
位計から得られた水路的流体水位から、流水断面積Ａと
表面流速から平均流速への変換係数にの積ＡＫを出力す
る関数発生器の出力と表面流速との乗算から流ｉＱか得
られる。

イメージセンサならびに水位センサは共に流体と非接触
にて動作できるので、腐食性流体なと各種流体の流量測
定に利用できる。

またセンサは流体内に浸漬しないので流体水位が低下し
ても正しい測定か行える。

水路の上部空間に設置されるセンサはその装着や交換が
迅速且つ容易にでき、保守点検が随時行えて作業効率の
改善が図れる。

流体内に異物や気泡などの夾雑物が混入してもこれらの
影響を受けないので、欠測の発生は回避され動作が安定
化できる。

流量測定におけるレンジの拡大は、レンズの倍率を変え
センサの視野幅を調節して容易に対応できる。

［実施例］ この発明の一実施例を添付図面を参照して詳細に説明す
る。

第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図、第２図
は水路の一例を示す上面図である。

図において、１は動作指令を行うタイミング回路、２は
流体表面の進行波や波紋などのランダムなパターンに感
応して電気信号を出力するイメージセンサ、３はイメー
ジセンサ２１＼の動作指令を与える駆動回路、４はレン
ズ、５は水路、６はＡ−Ｄ変換器、７はタイミング回路
１からの指令により動作する切換器、８は流体表面の第
１パターン情報が格納される第１メモリ、９は異なる時
限の第２パターン情報が格納される第２メモリ、１０は
メモリからの両パターン情報の読出しアドレスを指定す
る読出し制御回路、１１は第１メモリ８と第２メモリ９
からの各パターン情報の相関演算を行う相関器、１２は
相関器１１の動作を制御する参照信号を発生する参照信
号回路、１３はパターン情報の相関関数が極大になる偏
位量を求める移動量検出器、１４はパターン移動速度を
算出する移動速度演算器、１５はパターン移動速度から
流速への変換を行う信号変換器、１９は水位センサ、２
１は水位計、２２は水位による流水断面積への変換なら
びに平均流速の補正を行う関数発生器、２３は流量演算
器、矢示は流れの方向を示している。

上記のように構成された流量測定装置においては、自由
水面を有する流体が流れる水路５の上部空間にレンズ４
を介してイメージセンサ２を流れの方向に沿って装着す
る。

イメージセンサ２としては例えば複数のホトダイオード
などの光電変換器が一次元に配列され、順次変換信号を
読出すための転送部をそなえたＣＣＤ即ち電荷転送素子
よりなるラインセンサが用いられる。

タイミング回路１からの指令により駆動回路３が作動し
て例えば２相駆動信号が出力される。

イメージセンサ２内に配列されたホトダイオードには、
それぞれレンズ４を介して対応する流体表面のランダム
なパターンに関する実像が結ばれており、イメージセン
サ２へ蓄積された映像信号は上記駆動信号により転送部
が作動して順次高速度にて出力され、Ａ−Ｄ変換器６に
てディジタル信号に変換される。タイミング回路１から
の最初の指令に基づき切換器７が作動して、イメージセ
ンサ２にて順次サンプリングされた流体表面の第１パタ
ーン情報は第１メモリ８へ格納される。引続いて所定時
間遅延された指令に基づいて切換器７が切換えられ、イ
メジセンサ２からの第２パターン情報は第２メモリ９へ
格納される。

第３図はパターン情報の一例を示す動作波形であり、 ■は第１メモリ８へ格納される第１パターン情報：ｆ（
ｉ）、■は第２メモリ９へ格納される第２パターン情報
：ｇ（ｉ＞、流体表面のパターンは何れもランダム信号
で時間と共に変化する非定常性を呈する。第１メモリ８
と第２メモリ９へそれぞれ格納されたパターン情報はそ
の読出しに際し、相互間の位相が順次所定の値となるよ
うに読出し制御回路１０により調節される。メモリから
読出された第１パターン情報と第２パターン情報は相関
器１１へ加えられ、相互位相τが調節され、次式による
相関演算か行われる。

Ｒ（τ）−Σｆ（ｉ＋τ）ＸＣＩ（ｉ＞　　（１）Ｌ＊
／ ここに、Ｒ（τ）：相関関数、τ−〇〜τッ麓Ｎはイメ
ージセンサ２の画素数を示す。

例えばイメージセンサ２に用いられる配列されたホトダ
イオードによる画素数をＮ＝５１２とする。読出し制御
回路１０により第１メモリ８ならびに第２メモリ９から
読出された第１パターン情報と第２パターン情報は、相
互相関演算されτをＯ〜τッ枕まで変えたとぎＲ（τ〉
か極大値となるときのでの値を△Ｘとして移動量検出器
１３から出力される。移動速度演算器１４において、パ
ターンのサンプリング時間間隔即ち遅延時間△Ｔとパタ
ーン移動距離△Ｘより、流体表面のパターン移動速度Ｖ
は、Ｖ＝ｍ−ＸＴ−（２） となる。ここてｎ］はレンズ倍率である。

上記相関演算には時間を要するので、参照信号回路１２
からの時間関数よりなる参照信号を相関器１１へ供給し
て、演算が行われるパターン領域を制限して演算時間の
短縮が図られている。即ち式（１〉においてＮに代わり
０＜Ｍ＜ＮなるＭを採用して相関演算を行っている。

また相関器１１は第１パターン情報と、第２が極大とな
るパターンマツチング動作をさせても同等の作用が行え
る。

相関演算の高速化ならびにメモリ容量減少のため、Ａ−
Ｄ変換器６はスレシホールドレベルを調整して出力信号
を２値化し、各メモリに記憶させて相関演算を行わせて
も同等の結果が得られる。

上記パターン移動速度Ｖは流体表面のランダムな現象を
呈するパターンの移動に係わるもので、パターンは流体
の流れ方向への移動の他にパターン形状（流体表面の凹
凸、進行波や波紋など）変化の要素が介入して表面流速
とは一般に異なる。従って信号変換器１５においてパタ
ーン移動速度から表面流速ソへの変換か行われる。

流体表面のパターン移動速度は一般に表面流速、水路形
状、水深などに係わり、流体の表面流速　は流体表面の
パターン移動速度Ｖについて、 ひ−ａＶ十ｂ　　　　　　（４） と示すことができる。但しａ、ｂは定数である。

上式によりパターン移動速度から流体の表面流速が求め
られる。

水位センサ１９として例えば超音波を用いて空間におけ
る超音波伝搬時間信号を水位計２１へ供給して水路５内
流体水位を検出し、関数発生器２２において水路５の断
面形状から当該水位に対応した流水断面積と表面流速か
ら平均流速への変換係数の積か得られ、上記平均流速と
共に流量演算器２３へ加わり流量信号が出力される。

流速測定点と平均流速の関係は流体レベルにより変わる
ので、レベルに応じた流速分布から、水路全体の平均流
速の測定点にあける流速との比率即ち変換係数Ｋを求め
次式により流量が算出できる。

壁面から距離ｙの点の流速Ｖ（ｙ）は次式で必たえられ
る。

Ｖ（ＶＭ／＋　　（（８，４８＋２．５　ｘｌｎ（ｙ／
ｋ）））　　　　（１）ただし　Ｖ干　：摩擦速度で、 Ｖ＋　＝ｒσ７Ｒア丁　　　　　　　　　（２）ｑ：重
力加速度、 Ｒ：動水半径（１−１ｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｒａｄｉｕｓ
）を表しく流水断面積／潤辺長）である円管の場合は、
ｋ＝（１−（Ｓｉｎθ／θ））　　　　　　（３）θ＝
２Ｃｏｓ−１（１−２（ｈ／Ｄ））　　　（４＞Ｄ：管
直径、１：水路勾配、ｋ：壁面の粗さを表す定数、 代表点を水路の中心を通る流水表面上に選び、水路形状
による影響を考慮した速度Ｖ（ｈ）を次式ように表わす
、 Ｖ（ｈ）＝Ｖｒ　Ｘ７Ｘ　（８，４８＋２．５ｘｌｎ（
ｈ／ｋ））ただし　γ：水路形状による補正係数で管渠
の場合の一例を示す、 γ工αＸ（ｈ／Ｄ）十β ここでα＝　−０、７９、β＝１．１７またＭａｎｎｉ
ｎｇの平均流速公式は次式で表わさただし　ｎ：水路の
粗度係数、 さらにｋとｎの間には次の関係がある（Ｖ、Ｔ、Ｃｈｏ
ｗ“０ｐｅｎ−Ｃｈａｎｎｅｌ　Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ
、　ＭｃＧＲＡＷ　ＨＩＬＬ”　ｐ、２０６）ｋ＝１２
．２ＸＲＸｅＸｐ（−０，１２８ＸＲ”　／ｎ）　　　
　　（８）（５）、　（７）、（８）式より表面流速Ｖ
（ｈ）から平均流速Ｖｍへの変換係数には、 管路の粗度係数ｎのみに関わり水路勾配置、流 体の動粘性係数νに無関係になっている。粗度これより
流量Ｑは流水断面積Ａ（ｈ）と平均流速Ｖｍの積より得
られる。

Ｑ＝Ａ（ｈ＞ＸＶｍ 速を測定する事により水路の勾配によらず精度よく流量
を求めることができる。

水路５の上部空間に設けられたイメージセンサ２ならび
にこけに近接して８２けられた水位センサ１９は、その
装着や交換が容易で保守点検か随時効率良〈実施できる
。

またレンズ４の倍率の調節により、センサの視野幅が変
えられて測定レンジの拡大か図れる。

水路５は開水路の他に自由水面を有する閉された形式の
暗渠または管渠においても、内部に照明を施けてイメー
ジセンサ２や水位センサ１９を用いた流量測定か行える
。

イメージセンサ２はセンサが直線状に配列された一次元
のラインセンナであるが、Ｘ、Ｙ両方向の二次元に配列
された平面センサを用いて、フレーム毎のパターン情報
によりフレーム間の相関を行っても同様に流量が得られ
、更に他の方向への移動も検出てきるので測定精度の向
上ならびに流体内の異物や気泡などの夾雑物の影響から
避けられる。

また水路５内の流体表面がランダムに変動しても所定精
度か確保され、上水、下水、農水、河川などの流量測定
に広く利用できる。

［発明の効果］ この発明は以上説明したとおり、イメージセンサからの
流体表面パターン情報に基づいた相関による流速測定と
、流体レベルにより流水断面積を得る関数発生器ならび
に両信号が加わる流量演算器を設ける簡単な構造により
、各種流体の流量か非接触にて測定できる。

イメージセンサや水位センサの装着や交換が容易で機器
の保守点検か随時効率良く行える。

上水、下水、農水、河川などの流量測定に利用でき且つ
流体内部の夾雑物の影響から避けられ安定した測定かで
きる。

水路内の流体表面かランダムに変動しても所定の流量測
定精度か確保できるという効果かある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図、第２図
は水路の一例を示す上面図、第３図はパターン情報の一
例を示す動作波形、第４図は従来の流量測定装置の一例
を示すフロック図、第５図は台形水路にあける流水断面
積の一例である。 図において、２はイメージセンサ、８は第１メモリ、９
は第２メモリ、１０は読出し制御回路、１１は相関器、
１３は移動量検出器、１４は移動速度演算器、１５は信
号変換器、流２１は水位計、２２は関数発生器、２３は
流量演算器である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示ず。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）水路内を流れる自由水面を有する流体の流量を測
   定する流量測定装置において、 上記水路の上部空間に設けられ流体表面のパターンに感
   応する複数の素子が配列されたイメージセンサと、上記
   イメージセンサからの信号をディジタル信号に変換する
   Ａ−Ｄ変換器と、Ａ−Ｄ変換された第１パターン情報を
   格納する第１メモリと、所定時間遅延後の上記イメージ
   センサからのＡ−Ｄ変換された第２パターン情報を格納
   する第２メモリと、上記メモリから読出される両パター
   ン情報のアドレスを指定しパターン情報相互間の位相を
   調節する読出し制御回路と、上記メモリから読出された
   パターン情報の相関演算を行う相関器と、相関関数が所
   定値に達したときのパターン移動量を検出する移動量検
   出器と、上記パターン移動量と上記遅延時間よりパター
   ン移動速度を算出する移動速度演算器と、パターン移動
   速度を表面流速へ変換する信号変換器と、上記イメージ
   センサに近接して配設された水位センサと、上記水位セ
   ンサからの信号により水位を測定する水位計と、水位信
   号から水位の関数である流水断面積と表面流速から平均
   流速への変換係数の積を出力する関数発生器と、上記関
   数発生器出力と表面流速の積を出力し流量信号を得る流
   量演算器とを備えたことを特徴とする流量測定装置。
2. （２）イメージセンサは複数のセンサが一次元に配列さ
   れたラインセンサである請求項１記載の流量測定装置。
3. （３）イメージセンサは複数のセンサか二次元に配列さ
   れた平面センサである請求項１記載の流量測定装置。
4. （４）相関器は相互に位相の異なる第１パターン情報と
   第２パターン情報の相互相関を行う請求項１記載の流量
   測定装置。
5. （５）相関器は相互に位相の異なる第１パターン情報と
   第２パターン情報の差の絶対値の和演算を行う請求項１
   記載の流星測定装置。
6. （６）水位計は超音波式水位計である請求項１記載の流
   量測定装置。
7. （７）Ａ−Ｄ変換器は２値化信号を出力する請求項１記
   載の流量測定装置。