JPS6246812B2

JPS6246812B2 -

Info

Publication number: JPS6246812B2
Application number: JP55177239A
Authority: JP
Inventors: Masao Fukunaga
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1980-12-17
Filing date: 1980-12-17
Publication date: 1987-10-05
Also published as: JPS57101720A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は開水路流量計に係り、特に自由表面を
有する開水路を流れる流体の流量を超音波を用い
て正確に測定するのに好適な構造の開水路流量計
に関するものである。

従来の開水路流量計としては、せき式等のよう
に水位を計測することによつて間接的に流量を測
定する方式および超音波式または静電容量式の水
位計と超音波式の流速計とを組合せて流量を測定
する方式等が実用化されているが、精度、構造の
簡便さ、据付の容易さなどから最近では後者の方
が急速に普通しつつある。

第１図はその原理図である。開水路側壁１に設
けた一対の流速検出器２間で超音波の送受信を行
い、上流側→下流側送信の場合と、下流側→上流
側送信の場合とで生じる伝ぱ時間差を流速変換部
３で検出し、流体４の流速に比例した信号に変換
して流量演算部９に出力する。一方、開水路上部
に取り付けた超音波水位検出器５から超音波を送
信し、流体表面６からの反射波を受信するまでの
時間を測定することにより、超音波水位検出器５
と流体表面６までの距離を測定し、あらかじめ決
められた超音波水位検出器５から開水路底面７ま
での距離と上記の距離との差から水位変換部８で
水深を求め、さらに開水路の幅との積から流体断
面積を求めて、その信号を流量演算部９に出力す
る。流量演算部９では、流速と流体断面積との積
を求めて流量を演算し、流量に比例した信号１０
を出力するようにしてある。

しかし、このような従来技術には、次のような
欠点がある。

１流速検出器２を開水路側壁１に取り付けるた
めの据付工事が必要である。

２流速検出器２は指向性が高いから、対向する
検出器との位置合せを正確に行う必要がある
が、それが困難である。特に開水路幅が広い場
合は一層困難になる。

３超音波水位検出器５は、流体表面６での反射
を利用しているから、水面に波立ちがあると測
定誤差を生ずる。

４開水路底面７に推積物があると、それにより
水位測定値に誤差を生ずる。

５超音波水位検出器５は、空気を伝ぱ媒体とし
ているので、それによる減衰特性を考慮して、
測定周波数は30KHz以下の比較的低い周波数の
超音波を使用しなければならない。これは、時
間検出の分解能を悪くし、これにともない測定
距離の分解能が低下する。また、大電力となる
ので、装置が大形化する。

本発明は上記に鑑みてなされたもので、その目
的とするところは、据付調整が簡単で、かつ、開
水路水面の影響を受けず、高精度で流量を測定す
ることができる開水路流量計を提供することにあ
る。

本発明の特徴は、開水路の流体表面に支持体を
浮かべ、この支持体の接水面に上記開水路の底面
方向に向つて水位測定手段を取り付け、また、上
記支持体に少なくとも１つの流速測定手段を取り
付け、上記水位測定手段と上記流速測定手段との
出力信号から信号変換器を用いて流量に比例した
信号を得る構成とした点にある。

以下本発明を第２図、第３図に示した実施例を
用いて詳細に説明する。

第２図は本発明の流量計の一実施例を示す側面
図、第３図は第２図の平面図である。第２図、第
３図において、４は開水路の流体、６は流体表
面、７は開水路底面、１１は開水路の流体表面６
に浮かべた支持体である。支持体１１には、接水
面に開水路底面７方向に向けて水位検出器１２が
取り付けてあり、また、流速検出器１３が取り付
けてある。この流速検出器１３は、一方から送信
した超音波がくさび１４、支持体１１、流体４を
伝ぱした後、流体４中の微粒子である反射体１５
によつて反射され、その反射波が上記の逆経路を
通つて他方で受信されるように所定の位置に取り
付けてある。このときの送信周波数と受信周波数
との間には、トツプラー効果により次の(1)，(2)式
に示す関係が成立し、反射体１５の速度、すなわ
ち、流体４の流速に比例した差周波を生じ、それ
から流速を検出することができる。

ｒ＝ｃ＋ｖｃｏｓθ／ｃ−ｖｃｏｓθｔ……
(1) ここに、ｃ；流体中の音速ｖ；反射体（流体）の速度 θ；流速検出器からの超音波ビームと
流体の流れの方向とのなす角ｔ；超音波送信周波数ｒ；超音波受信周波数 (1)式より差周波数△は、 △＝ｔ−ｒ＝ｖ／ｃcosθ・ｔ……(2) したがつて、△とｖは比例し、△を測定す
ることによつて、ｖ＝ｃ／２ｔｃｏｓθ・△ ……(3) より流速が得られる。

一方、水位検出器１２から送信された超音波
は、支持体１１、流体４を経て開水路底面７で反
射され、その反射波は逆の経過を通つて再び水位
検出器１２に受信される。水位検出器１２から超
音波を送信してから受信するまでの時間をｔとす
れば、ｔは次式で示され、ｔ＝２Ｌ／ｃ＋τ ……(4) ここに、Ｌ；支持体１１の接水面から開水路底
面７までの距離ｃ；流体中の音速 τ；流体以外での超音波の伝ぱ時間 (4)式より、Ｌ＝ｃ／２（ｔ−τ） ……(5) ところで、ｃおよびτはあらかじめ計算または
実測できるので、時間ｔを測定することにより水
位Ｌを求めることができる。水位Ｌがわかれば、
流体断面積Ｓは次式により求めることができる。

Ｓ＝Ｂ×Ｌ ……(6) ここに、Ｂ；開水路幅そして、(3)式より得られる流速ｖと(6)式より得
られる流体断面積Ｓとの積を求めれば流量Ｑが得
られる。しかし、実際には(3)式より得られる流速
ｖは、超音波を照射した部分の部分流速であるか
ら、断面全体の平均流速を得るためには、流速補
正係数ｋを乗算することが必要であり、Ｑ＝ｋ・ｖ・ｓ ……(7) となる。

１６は信号変換器で、信号変換器１６では上記
の演算を行い、流量Ｑに比例した信号を出力し、
それを信号ケーブル１７を介して外部へ伝送す
る。

１８は索で、支持体１１が流れないように、支
持体１１の上流側上部に設けた索固定部１９と開
水路側壁２０に設けた索固定部２１とにそれぞれ
両端を固定してある。なお、第３図に示すよう
に、索１８は２本設けてあり、それぞれ開水路の
両側壁２０に固定し、流れによつて支持体１１、
すなわち、測定位置が変らないようにしてある。

２２は電力ケーブルで、信号ケーブル１７と電
力ケーブル２２とは、索１８とともに開水路側壁
２０に渡してあり、それぞれ信号の伝送、電力の
供給を行う。なお、場合によつては、バツテリー
を支持体１１内部に内蔵するようにし、また、信
号は無線通信、光通信により伝送するようにして
もよい。特に大規模な開水路、貯水池内部の流量
の遠隔測定においては、この方が望ましい。

上記した本発明の実施例によれば、次のような
効果がある。

イ流量計を設置するとき、開水路中に流量計を
投げ込み、索１８で開水路側壁２０に固定する
だけでよいので、据付工事が不必要になり、ま
た、取付場所は流れが安定な場所であればどこ
でもよい。

ロ水位検出器１２、流速検出器１３は、ともに
支持体１１に一体化して組み込んであるので、
位置関係の調整が不要である。また、水位検出
器１２は、液位が変化した場合でも、常に開水
路底面７と平行になるから、底面７からの反射
波を確実に受信できる。

ハ液面に波立ちがあつても、支持体１１が防波
効果をもたらすから、波が消され、安定な水位
計測を行うことができる。

ニ開水路底面７に堆積物があつても、水位計測
用の超音波は、堆積物の表面で反射されるか
ら、真の水位を測定できる。また、フロツク状
の堆積分の場合には、境界面が不明りようとな
るが、このような堆積物は流れがある場合には
流れ去るので、実用上問題がない。

ホ水位検出器１２からの超音波は、支持体１
１、流体４のみを伝ぱ媒体とするから、従来の
空気を伝ぱ媒体とする場合よりも超音波の減衰
が極めて少なく、測定周波数を従来の数十キロ
ヘルツから数メガヘルツにまで高めることがで
きる。これは、時間分解能、すなわち、距離分
解能を高めるので、高精度の水位計測を可能と
する。また、減衰が少ないことは、送信電力が
小さくてよいことを意味し、小形、軽量化をは
かることができる。

なお、以上の説明では、流速検出器１３とし
て、ドツプラー効果を利用したものを用いた場合
について述べてあるが、伝ぱ時間差法を用いるよ
うにしても基本的には同一である。ただし、この
場合は、流速検出器は、支持体１１から流体４中
に一部突出させるようにしなければならない。そ
のため、流れを乱すことが考えられ、この点から
ドツプラー効果を利用する方が好ましいといえ
る。

以上説明したように、本発明によれば、据付調
整が簡単で、かつ、開水路水面の影響を受けず、
高精度の流量測定が可能であるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の開水路流量計の原理図、第２図
は本発明の開水路流量計の一実施例を示す側面
図、第３図は第２図の平面図である。４…流体、６…流体表面、７…開水路底面、１
１…支持体、１２…水位検出器、１３…流速検出
器、１４…くさび、１５…反射体、１６…信号変
換器、１７…信号ケーブル、１８…索、１９，２
１…索固定部、２０…開水路側壁、２２…電力ケ
ーブル。

Claims

【特許請求の範囲】１開水路の流体表面に浮べた支持体と、該支持
体の接水面に前記開水路の底面方向に向けて取り
付けた水位測定手段と、前記支持体に取り付けた
少なくとも１つの流速測定手段と、前記水位測定
手段と前記流速測定手段との出力信号を入力とし
て流量に比例した信号を出力する信号変換器とか
らなることを特徴とする開水路流量計。２前記支持体が上流側の一部に、一端を開水路
壁に固定した索の他端を固定する少なくとも１個
の索固定部を設けた構成としてある特許請求の範
囲第１項記載の開水路流量計。３前記水位測定手段が開水路底面を反射面と
し、流体を伝ぱ媒体とする超音波式水位測定手段
であり、前記流速測定手段が流体中の微粒子を反
射体とする超音波のドツプラー効果を利用した超
音波式流速測定手段である特許請求の範囲第１項
または第２項記載の開水路流量計。