JPH09189590A

JPH09189590A - 開水路用超音波流量測定装置及び方法

Info

Publication number: JPH09189590A
Application number: JP7342767A
Authority: JP
Inventors: So-Chan Haku; ソー，チャンハク
Original assignee: CHIYANMIN CO Ltd; Changmin Co Ltd
Current assignee: CHIYANMIN CO Ltd; Changmin Co Ltd
Priority date: 1995-12-18
Filing date: 1995-12-28
Publication date: 1997-07-22
Anticipated expiration: 2015-12-28
Also published as: DE19548433A1; JP2873443B2; DE19548433C2; US5780747A

Abstract

(57)【要約】【課題】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、
超音波流量測定装置及びその方法を提供すること。【解決手段】開水路用超音波多回線流量測定装置にお
いて開水路両辺に水中に配置された水平平均流速測定用
超音波転換器間の距離を直接超音波で測定するため、前
記超音波転換器中一つは複合転換器で所定の間隔で配置
された２個の超音波転換器（１_A1、１_C1）（１_A2、
１_C2）・・・（１_An、１_Cn）で構成したものと、複合転
換器を使って両辺に配置されている転換器（１_A1、
１_C1）（１_B1）、（１_A2、１_C2）（１_B2）・・・
（１_An、１_Cn）（１_Bn）間の距離測定方法、又前記複合
転換器が抱えている２個の転換器（１_A1、１_C1）
（１_A2、１_C2）・・・（１_An、１_Cn）間の間隔を校正す
る方法と、流量測定誤差の非注入式検査方法。

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
音波流量測定システム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（Transducer）
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１１】（１）ここで、Ｌ−転換器（１_A）から（１_B）間の間隔、Ｃ−
河川水における超音速、υ＝Ｖcosψ −Ｖ水平線上に
おける平均流速、υ−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Ｖを次の式によっ
て計算する。（Ｕｌｔｒａｆｌｕｘ社ＵＦ２１００流量
計）。

【数１２】（２）

【０００８】このような流速計算式にて流速を測定する
方法を、周波数差方法であると言う。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、河川の流量は次の式にて計算す
る。

【数１３】（３）ここで、Ｂ−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を測定するところ、流量測定誤差を
先ず流速測定誤差が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１４】超音速Ｃの代わりに、ｔ_AB・ｔ_BA＝Ｌ²／Ｃ²とのこと
を、又、cosψ＝ｄ／Ｌであるとのことを参酌したら次
の様になる。

【００１１】

【数１５】（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
２δ_Lが加算するのである。

【００１２】そうなので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
どの様な精密距離測定器で測定することも出来ない。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
する様にした超音波多回線流量測定方法と装置、又流量
測定装置を校正検査する方法である。

【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
（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、各ψに設置すれば、受信信号が弱く、各
ψよりもっと大きく設置すれば、（図４参照）受信信号
が大きくなるとのことを、みんなが体験している。この
ような現象が、正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のである。

【００１７】実際の超音波伝播時間は次の様である。

【数１６】ここでＬ₁、Ｌ₂は幾何学的の直線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１７】になる。ここでＢ−水路の幅、

【数１８】でもっとも速く到達する超音波の発射角である。

【００１９】それでも次の様な関係式が成立することも
証明されている。

【数１９】（５）ここで

【数２０】で線上の流速成分である。式（５）から式（４）が誘導
されたのである。

【００２０】式（５）からＬは次の様になる。

【数２１】（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Ｌ₁＝Ｌとおいたら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様で
ある。

【数２２】（超音速をＣ＝１４２５m/s に見た時）

【００２４】従って、υ＝１．０m/s の時Ｌ測定誤差
が０．０７％になるので無視することが出来るが υ＝
６m/s の時は０．４２％で流速測定誤差が２×０．４
２＝０．８４％に増加する。本発明では流速が高い時も
Ｌを正確に測定す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、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
に成す、流速測定装置の校正検査方法と流量測定装置全
体を校正検査する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；前記転換器の振動パルスを発生
せしめる、超音波パルス発振機と；前記超音波パルス
を、前記転換器等に印加し、それらより、超音波伝播パ
ルスを順次に受信して、出力すべく成すスイッチング機
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の中のいずれか一つ
の転換器と、他の転換器間のパルス伝播時時間間隔を測
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
を測定する演算制御装置等にて構成される。

【００２８】ここで、複合転換器は外部のパルス発振源
に連結された環状形の第１転換器を収納し、その中心部
が空洞にて成されている第１ケースと；前記第１ケース
の中心部に、一端が固定された所定の長さのパイプと；
その末端に第２の転換器が収納された、第２のケースが
固着されていて、第１と第２の転換器の所定ｌ間隔を保
障するように成されている。

【００２９】更に、本発明の開水路用超音波多回線流量
測定方法は、所定間隔を置いている、第１の転換器（１
_Ai）と第２の転換器（１_Ci）を保有した、複合転換器が
多数一側水路麓線上に設置し、他の水路麓線上に、多数
の他の超音波転換器（１_Bi）配置して、多回線超音波流
速測定回線を構成する段階と；前記の転換器（１_Ai），
（１_B1）及び、（１_Ci）等が相互超音波を発射し受信す
る時、最大の信号になるべくそれらの位置を調節する段
階；第１の転換器（１_Ai）及び第２転換器（１_Ci）等が
他の転換器（１_Bi）等に超音波パルスを発射して伝播す
る時間ｔ_AiBi及び、ｔ_CiBiと他の転換器（１_Bi）より発
射されるパルスが第１及び第２転換器（１_Ai）及び（１
_Bi）に伝播される時間ｔ_BiCi及びｔ_BiCiを測定してｉ水
平線上の多数の平均流速を測定する段階と；多数の平均
流速を利用して、流れ断面積ｓの平均流速を算出して、
流量を算出する段階にて成される。

【００３０】本発明によれば、流速測定装置の校正検査
を成すことができるし、該校正方法は、所定間隔ｌをお
いて離れた複合転換器の第１及び第２の転換器が水槽の
中で各々の地点Ａ及びＣにあるとし他の超音波転換器を
地点Ｂにあるように成し、第１及び第２超音波転換器よ
り他の転換器へのパルス伝播時間ｔ_AB及びｔ_CBを測定す
る段階、地点Ｂにある他の転換器を所定距離に移動して
地点Ｂ′に移動せしめ、第１及び第２転換器より他の転
換器へのパルス伝播時間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
誤差を校正検査する段階にて成される。

【００３１】従って、本発明は超音波河川、開水路又
は、規模が大きい閉水路流量計を構成するにおいて、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等間の間隔の長
さをいかなる距離測定器にて測定する必要がなく、流速
測定瞬間毎に流量計自体が測定するように成されていて
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に示したところの
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、転換器１_Aと１_Bが配置され、又、超音波パルスが
発射される方向に従って、間隔ｌになる位置に、又、一
つの転換器（１_C）を配置する。（先に言った複合転換
器が（１_A）、（１_C）を収納している。）流速Ｖ方向へ、転換器（１_A）が発射した超音波パルス
が転換器（１_B）に到達する時間ｔ_AB 、又、転換器（１
_c）が発射して到達する時間ｔ_CB更に、転換器（１_B）
が発射した超音波パルスが転換器（１_C）と（１_A）に到
達する時間ｔ_BCとｔ_BA を測定する。前記した時間等
は次の通りである。

【００３４】

【数２３】（７）

【００３５】前記式（７）において、ｔ_CB／ｔ_AB を求
めれば、

【数２４】になる。従って、

【００３６】

【数２５】（８）これと同様にｔ_CB／ｔ_AB によって、

【数２６】（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２７】にする。この様に求められたυ′は真流速成分υよりち
ょっと違うυ′を式（６）に代入して正確なＬを求め
る。

【００３９】

【数２８】（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
るし、又Ｌ₁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％
に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流速測定用転換器（１_A）は環状リ
ング形の圧電セラミックにて成されており、超音波伝播
軌道測定用転換器（１_C）は転換器（１_A）より所定の長
さｌの間隔を離れて設置される、パイプ（８）の端部近
くに一般的な円柱形圧電セラミックにて成されている。

【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）に沿って、や
や移動せしめることができるべく成されており（例え
ば、ネジで連結）、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、数百メートルに成る場
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７〜３
ｍｍ程度になる。従って、転換器（１_A）前に３〜７ｍ
ｍ以上になる障碍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個の超音波転換器複合構造
にて成せば転換器（１_A）と（１_C）がパルスを発射、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。ｌ選択関
係式は次の通りである。

【数２９】（１１）ここでτ−時間間隔測定絶対誤差、Ｃ_max −河川水にお
いて期待することができる最大の超音速、δ_L−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、

【数３０】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
多回線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。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側麓に設置し
た流速測定装置にて構成せしめた多数の複合転換器（１
_A1、１_C1）、（１_A2、１_C2）...（１_An、１_Cn）等に超
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）よりの受信信号を整形波にて成型
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）よりの信号間の時間
間隔、即ち、超音波伝播時間を測定して、演算制御装置
（１６）に入力する。

【００５１】同様に、他側河辺の麓にも、転換器
（１_B1），（１_B2）..（１_Bn）等が設置され、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】因って、該多回線超音波流量測定装置は、
所定のアルゴリズとプログラに従って、交換機（１１）
が複合転換器（１_A1、１_C1）、（１_A2、１_C2）・・・
（１_An、１_Cn）等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）等に
伝播すべく成し、演算制御装置（１６）によって作動さ
れる無線送受信機（１７）は、これを無線送受信機（１
８）に通知することにより、交換機（１１）は転換器
（１_B1）、（１_B2）・・（１_Bn）等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、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、演算制
御装置（１６）の制御によって、無線送受信機（１８）
に交換機（１１）及び超音波パルス発振機（１３）を作
動せしめ、転換器（１_B1）、（１_B2）・・（１_Bn）等よ
り超音波パルスが転換器（１ _A1、１_C1）、（１_A2、
１_C2）・・・（１_An、１_Cn）等に超音波パルスを発射す
る。

【００５４】因って、転換器（１_A1、１_C1）、（１_A2、
１C2）・・・（１_An、１_Cn）等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
整形波にてなり、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等
のコード信号を発生させ、演算制御装置（１６）に入力
する。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回線順序に繰り返され、Ｖ ₂、Ｖ ₃・・・
Ｖ _n流速が測定記憶される。（１９）は転換器
（１_Ai）、（１_Bi）、（１ _Ci）等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けれども、もっと正確な方法は、Ｖ
₂、Ｖ ₃・・・Ｖ _n測定デイター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

【数３１】（１２）積分を近似積分して、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に乗して流量Ｑを求める方法がもっと正確である。
即ち、Ｑ＝Ｖ _s ・Ｓ（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等を
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（１７）、
（１８）を使用するのが好ましい。勿論、河川両辺の麓
に、転換器等を配置せずに一方に麓に、所定された間隔
ｄにて転換器（１_A1）、（１_C1）・・・、（１_An）、
（１_Cn）更に、（１_B1）、（１_B2）、・・・（１_Bn）を
設置し反対の方の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（１
３）、波形成形機（１４）、交換機（１１）を二重に両
方の麓に設置する必要も無い。

【００５７】又、流量を測定する毎回に転換器（１_Ci）
を動作させて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）も入力記憶して
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
転換器（１_Ai）が設置される位置に一つの複合転換器を
移動しながら距離を予め測定して演算制御装置（１６）
に入力記憶させて一般の転換器を多数設置する事が出来
る。これはＬ₁ が絶対に変わらない時に適用する。

【００５９】一方、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校正検査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校正検査する方法を提供
するのである。

【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
装置の誤差を校正検査する方法が必要である。

【００６１】勿論、精密な誤差が±１０^-6 ｍ程度にな
る長さの測定器はあるが、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とのことを超音波パル
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徹底に構成せしめたとして
も、色々な原因にて遅延時間が含まれる。更に、いくら
遅延時間を小さいので無視することができるとしても、
図５に示した複合転換器、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成す
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
測定矯正方法は次の通りである。図８に示したところの
ように、水槽を周囲の温度が変わらない室内に設置し水
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）等にてなる複合転換器を水中に設置固定せし
め、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
間間隔測定誤差を検査するために、精度（accuracy）が
もっと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成し、流量計を動作
せしめ、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３２】（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間隔にて移動せしめる。移動せしめた間隔Ｌ₀
は甚だ正確に測定することは難しく無い。それでは、聴
音波転換器（１_A）と（１_B）間の間隔は、Ｌ_i ＋Ｌ₀ に
なるものであり、（１_C）と（１_B）間の間隔はＬ₁ ＋Ｌ
₀ −ｌになるであろう。

【００６７】このように超音波転換器（１_B）の位置を
変更せしめ、超音波伝播時間ｔ_AB2、ｔ_CB2 を測定し
て、

【数３３】（１５）を求める。式（１５）から式（１４）を減じれば、

【００６８】

【数３４】（１６）になるであろう。

【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３５】（１７）にならなければならないのである。ここで、ｌは求めよ
うとする真の長さである。従って、

【数３６】になるものであり、

【数３７】（１８）になるであろう。

【００７０】このように、式（１８）に従って、もっと
正確な長さｌを求めるようになる。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
力せしめ、式（１７）によってＬ₀ を繰り返し測定して
見る。繰り返し測定結果を分析すれば、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Ｌ
₀ 間の偏差が、偶然偏差であるか、又は固定偏差が含ま
れているのか、容易に知り得る。固定（sysytematic）
偏差が含まれているならば、前記した方法は繰り返し
て、更に式（１８）によってもっと正確なｌの値を求
め、流量計に入力せしめ、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
算制御装置に入力せしめる。

【００７２】前記したｌ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の値を求めるとのことが重要なるものである。

【００７３】前記した方法にて求められたｌの値を流量
測定装置に入力せしめ、超音波転換器（１_B）の位置を
変更せしめながら、流量測定装置が測定した変更された
長さの値と、精密の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検査するように
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検査さ
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検査するようになり、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が現地開水路で測定する誤差でない。Ｌ₀はほぼ１〜
３ｍであるが現地で数十米になるのでＬ_i測定相対誤差
はδ_L0より少なくて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、流量計算を成すための積分式（１
２）を遂行する、演算部の誤差検定は、容易に次のよう
に成す。水平平均流速Ｖ _iの多様な分布数を作成して
総平均流速Ｖ _s を予め正確に積分計算して置く。次に流
速分布曲線において、転換器等が配置される地点等にお
ける流速Ｖ ₁、Ｖ ₂、・・・、Ｖ _nに該当される流速等
と、それら間隔を流量測定装置流量演算部に入力せしめ
演算結果Ｖ’_sを正確に計算されたＶ _sと対比して、Ｖ
_s’測定誤差を検定する。

【００７７】超音波流量測定装置の最大流量測定相対誤
差は、

【数３８】（２３）になり、

【数３９】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４０】（２４）ここでδ_Sは水流れの断面積誤差である。このように、
本発明の方法にて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、信頼
性高く矯正検査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
直接校正検査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校正検査にて測定誤差を検
定するより外ないところ、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校正検査信頼性が高くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従前の多回線超音波河川測定原理を説明した断
面図。

【図２】従前の水平平均流速測定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】本発明に伴う校正検査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

【特許請求の範囲】

【請求項１】人工開水路又は河川の両辺の麓の線上に
従って、２地点間の水平平均流速を測定する多くの超音
波平均流速測定回線で構成している超音波多回線流量測
定装置において、開水路の一辺の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に配置された２個の転換
器（Transducer）が一体に成っている複合転換器である
が第１の転換器（１_A）は環状形（Annular ring）に成
っていて中心部が空洞にした第１転換器のケースと；前
記第１ケースの中心部に末端が固定された所定の長さの
パイプが有りこのパイプの先端に第２の転換器（１_C）
が入っている第２のケースが固定されているが所定間隔
ｌを調節する様に第２ケースがちょっと移動出来て固定
されるように成っている複合転換器。第１、第２転換器
間の間隔ｌは次の式で選択する。【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】開水路用超音波多回線流量測定方法にお
いて、開水路一辺の麓に転換器（１_Ai）と（１_Ci）が一体にな
っている複合転換器を、又、他の辺の麓に他の転換器
（１_Bi）を設置するが前記の転換器を連結する線が水平
になり、又、流速方向と角Ψを構成する様に前記の転換
器等を配置してｉ番目の水平平均流速測定回線を構成す
る段階と；複合転換器（１_Ai）（１_Ci）と他の転換器
（１_Bi）が相互超音波を発射しながら受信信号の振幅が
最大になる様に発射角を調節する段階と；複合転換器の
第１、第２の転換器（１_Ai）と（１_Ci）から他の第３転
換器（１_Bi）に向かって超音波パルスを発射して伝播時
間ｔ_AiBi、ｔ_CiBiを測定して第１転換器（１_Ai）と第３
転換器（１_Bi）間の距離Ｌ_iを測定する段階と；第３転
換器（１_Bi）から発射した超音波パルスが第１転換器
（１_Ai）まで伝播する時間ｔ_BiAiを測定してＬ_i 線上で
水平平均流速【数２】（尚、流速はＶ _iと表す場合もある）を測定する段階
と；前記の様に夫々の深さで水平平均流速Ｖ ₁、Ｖ ₂・
・・Ｖ _nを測定した結果によって水平平均流速分布函数
を認めて水流れ断面の平均流速を近似積分して流量を測
定する方法しかしＬ_i は流速が高く無い時は次の式によって測定す
る；【数３】（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４】（ｂ）ここで【数５】の式で計算した超音速でありυ′はＬ_i 線上の流速成
分であるが次の式で計算する；【数６】（ｃ）この様に測定したＬ_i を流速測定式に代入して流速を
演算する；【数７】（ｄ）ここで di＝Ｌ_icosψ．
【請求項３】距離Ｌ_iを流量を測定の毎回に測定しな
くて一度Ｌ_iを測定して流量計の流速流量演算装置に入
力記憶しておいて流速を測定する時は超音波伝播時間ｔ
_AiBi、ｔ_BiAiだけ測定しＬ_iは一定の周期でたびたび測
定して必要だったら前に記憶させたＬ_i値を修正するこ
とを特徴とする、請求項２記載の流速、流量測定方法。
【請求項４】水路が変わらなく超音波転換器等の位置
が変わらない様に堅固に設置した時は転換器間の距離Ｌ
_i が変わらないので開水路の一辺に転換器（１ _B1）、
（１_B2）…（１_Bn）を設置した後、他の辺の麓で転換器
（１_A1）、（１_A2）……（１_An）を設置する位置点に複
合転換器１_A、１_C を移動させながらＬ ₁、Ｌ₂…
Ｌ_n を測定して流量計の流速、流量、演算装置に入力記
憶させて転換器（１_A1）、（１_A2）…（１_An）を設置す
るのを特徴とする、請求項２記載の流速流量測定方法。
【請求項５】超音波多回線流量測定装置の校正検査
（Caribration）方法において、流速測定回線に連結される２個の転換器（１_A）と
（１_C）で成っている複合転換器と他の転換器（１_B）を
水槽に一定な間隔Ｌ_A に配置して転換器（１_A）と
（１_C）間の間隔をだいたい長さ測定器で測定した値
ｌ′を流量計の流速流量演算装置に入力する段階；流量
計の超音波伝播時間測定装置に並列に精密な基準時間間
隔測定装置を連結する段階；流量計を始動させて転換器
（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を次の式で測定する段階；【数８】（ａ）転換器（１_B）を精密に測定したＬ₀の間隔に移動固定し
て前記の伝播時間を測定してＬ’_A＋Ｌ’₀を次の式で測
定して【数９】（ｂ）（ｂ）から（ａ）を引いて正確なｌ値を次の式で算出す
る段階；【数１０】（ｃ）この様に修正したｌ値を流量計の流量演算装置に再入力
して前記の方法でＬ₀を測定して見て、若し測定したＬ₀
の値Ｌ″₀が許容誤差より大きい時は式（Ｃ）にＬ″₀値
を代入してもっと正確なｌの値を計算して入力して最終
的にＬ₀測定絶対誤差を検査する段階；前記の方法で他
の複合転換器のｌ値を校正検査する段階；超音波流量計
の超音波伝播時間測定装置が測定したｔ_AB、ｔ_BA基準時
間間隔測定器が測定した時間を対比して前記の伝播時間
測定装置の絶対誤差を検査して開水路でのＬを考慮して
Ｌと伝播時間測定の期待する相対誤差δ_Lとδ_tを計算し
て流速測定相対誤差を評価する段階；開水路で期待出来
る水平平均流速分布曲線を選択して正確にこの曲線を積
分して期待する流量Ｑ₀ を計算しておいて、前記曲線で
超音波多回線流量計の流速測定回線の位置の地点での流
速に一致する流速信号（例：コート）を流量計流量演算
装置に入力して現れた流量値ＱとＱ₀ とを対比して流量
演算の誤差を検査してＬ_i、Ｖ _i測定誤差、又、水流れ
の断面績測定誤差と合せて超音波多回線流量計の流量測
定誤差を査定する方法。