JPS63229373A - 液体表面の流速を測定する方法 - Google Patents

液体表面の流速を測定する方法

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JPS63229373A
JPS63229373A JP6360587A JP6360587A JPS63229373A JP S63229373 A JPS63229373 A JP S63229373A JP 6360587 A JP6360587 A JP 6360587A JP 6360587 A JP6360587 A JP 6360587A JP S63229373 A JPS63229373 A JP S63229373A
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勝 工藤
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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 本発明は、液体表面の流速を測定する方法に関し、特に
、河川等の流速を測定するのに適した方法に関するもの
である。
従来の技術 従来、河川等の水の流向流速を測定する方法としては、
次のようないくつかの方法があり、実施されている。
(1)  プロペラ型流速計を使用する方法この方法は
、水中にプロペラ型流速計を設置しておいて、その流速
計のプロペラの回転数からその水の流速を求める方法で
ある。
(2)浮子を観測する方法 この方法は、浮子を水に投下し、浮子が一定時間に移動
する距離を目視により観測することによって、水の流速
を測定するものである。
(3)超音波流速計を用いる方法 二の方法は、例えば、流速を測定すべき河川の一方の岸
に近い水の中に、超音波送受信器を設置し、対岸へ向け
て超音波を発射することにより、水中を伝わる超音波の
ドツプラー効果を利用して水の流速を測定するものであ
る。
(4)航空写真カメロン効果を利用する方法この方法は
、流れている氷表面を、飛行機から写真機にて、数秒の
時間差をもって撮影し、その2枚の写真を立体視して、
写真測量的手法により表面の移動量を水面の相対的な高
さくカメロン効果)として測定し、流速に変換するもの
である。
(5)  テレビカメラによる方法 この方法は、水に投下した浮子をテレビカメラで撮影し
、その移動量を写真測量的手法で求めることにより水の
流速を測定するものである。
(6)  熱映像装置1こよる方法 この方法は、飛行機に搭載した熱映像装置にて、氷表面
を真上から時間差をもって撮影し、その撮影した時間差
のある2枚の熱映像にとらえられている温度分布バクー
ンの移動量を測定することにより、水の流速を求めるも
のである。
(7)電波式表面流速計を使用する方法この方法は、流
水の表面に一定角度の方向で極超短波のビームを発射し
、その反射をとらえてドツプラー効果により流速を測定
するものである。
発明が解決しようとする問題点 前記(1)項の従来の方法は、水中にプロペラ型流速計
を実際に設置しなければなるないという面倒があり、ま
た、そのようにプロペラ型流速計を実際に設置できない
ような状況では、実施不可能なものである。
前記(2)項の従来方法もまた、実際に浮子を水に投下
しなければならず、また、目視によるため測定精度の点
でも限界がある。
前記(3)項の従来方法もまた、超音波送受信器を水中
に投雪する必要があり、また、現在のところ起音波の減
衰のため、河川の幅が200m以下でなければ適用でき
ない上、洪水時には濁りのため減衰が大きく使用できな
いという問題がある。
前記(4)項の従来方法は、飛行機を必要とする大仕掛
けなものであり、また、日中しか測定をすることができ
ないという問題がある。
前記(5)項の従来方法は、水に流木等の目印になるも
のが存在することが必須であり、このような目印がない
場合には、目印として水に浮子を流すようにしプ=けれ
ばならず、この方法もまた日中しか測定を行うことがで
きないものである。
前記(6)項の従来方法もまた、飛行機を必要とする大
仕掛(すなものであり、どこでも簡単に安価に行えると
いうものではなく、また、温度差のない氷表面には適用
できないものである。
前記(7)項の従来方法は、工場の廃水、取水の流速の
測定によく使用されているものであるが、電波を発生し
なければならないという上で問題のあるものである。何
故ならば、強い電波を発生することは、電波管理法で禁
止されているところであり、電波管理法で許可されてい
るような弱い電波を使用するのでは、20m以内の距離
でしか測定を行うことができない。
本発明の目的)ま、このような従来の測定方法の問題点
を解決しうる液体表面の流速を測定する方法を提供する
ことである。
問題点を解決するための手段 本発明による液体表面の流速を測定する方法は、流速を
測定すべき液体表面を、該液体表面の斜め上方から熱映
像装置を用いて撮影し、禍等によるその液体表面の凹凸
パターンを見掛は上温度差のある温度パターンとしてと
らえ、該温度バクーンの移動量を測定することによって
前記液体表面の流速を求めることを特徴とする。
実施例 次に、添付図面に基づいて本発明の実施例について本発
明をより詳細に説明する。
第1図は、本発明の液体表面の流速を測定する方法を、
河川の水の流速を測定する場合に適用した場合を説明す
るための概略平面図である。第2図は、第1図において
熱映像装置の撮影方向に沿ってとった拡大概略断面図で
ある。これら第1図および第2図に示されるように、こ
の本発明の実権例においては、河岸2および3の間を流
れる流水の表面1の流速を測定するために、熱赤外線映
像装置4が河岸2の適当な位置に設置される。この熱赤
外線映像装置4の撮影方向Pは、第1図に示されるよう
に対岸3の適当な基準点5を中心として角度θ、の範囲
に亘り且つ第2図に示されるように氷表面1に対する角
度θ。を中心として角度θ2の範囲に亘るように設定さ
れている。これら角度のうち角度θ。は、後述する本発
明の原理からして、5°から20°の範囲内に設定する
のが好ましい。また、角度θ、および角度θ2 は、測
定すべき氷表面の流速の程度、熱赤外線映像装置4によ
る撮影の時間的間隔、基準点5の位置等によって適当に
選定し、後述する2枚の時間差をもってとられた映像中
に、基準点5の映像とともに、氷表面の凹凸パターンに
よる着目できる温度パターンが存在しうるようにすれば
よい。なお、第1図において、参照符号Fは、流水の流
れ方向を示している。
二の本発明の実施例によれば、河岸2に設置した熱赤外
線映像装置4 (例えば、波長3〜5μmまたは波長8
〜14μmに応答する映像装置)にて、撮影方向Pにで
ある時間差をもって氷表面1の2枚の映像を撮影する。
すると、後述するような原理に基づいて、氷表面に存在
するある凹凸パターンが見掛は上温度差のある温度パタ
ーンとしてとらえられる。そして、それら2枚の映像に
おいて、その特定の温度パターンに着目し、その2枚の
映像におけるその温度パターンのずれと、2枚の映像の
時間的ずれとから、氷表面の流向流速を求めることがで
きる。すなわち、温度パターンのずれにその撮影の縮尺
率を乗算したものを、その時間的ずれで除算することに
より流速を求めることができる。
第3図は、前述したような実施例において撮影した映像
の例を概略的に示している。第3図(八)は、ある瞬時
に氷表面1を熱赤外線映像装置4にて撮影した映像を示
している。この映像中には、基準点5の映(& 5 A
が写し出されており、また、氷表面1に存在している凹
凸パターンが見掛は上温度差のある温度パターン6A、
6Bとして写し出されている。第3図(B)  は、第
3図(A)  に示した映像の撮影時から2秒後に同様
にして熱赤外線映(象装置4にて氷表面1を撮影した映
像を示して・7)る。この映像中にも、同様にして、基
進点5の映像5.へが写し出されており、また、氷表面
1に存在している前述と同じ凹凸パターンが見掛は上温
度差のある温度パターン6A、6Bとして写し出されて
いる。これら第3図(A)  の映像と、第3′XJ(
B)  の映像とを比較すると明らかなように、第3図
(八)の映(家中における温度パターン6A、6Bの基
準点5の映像5Aに対する相対位置と、第3図(B) 
 の映像中における温度パターン6A、6Bの基準点5
の映像5Aに対する相対位置とは、異なっている。この
F目対的位置のずれは、氷表面1に存在している凹凸パ
ターンがその流速に応じて2秒の間に移動した距離に対
応している。従って、この+tq対的対置位置れに撮影
の縮尺率を乗算したものを、2秒にて除することにより
その氷表面の流速を求めることができる。
次に、このような本発明の測定方法の原理にっいて詳述
する。
先ず、大気と水面のような境界では、入射する電磁波の
収支は、入射エネルギーを1として次式%式% ここで、α(λ)は、吸収係数、ρ (λ)は、反射係
数、τ(λ)は、透過(糸数、λは、電磁波の波長を表
している。
このうち反射係数は、フレネル反射によるものと、水中
の浮遊粒子等により散乱されて水面に出てくるエネルギ
ーを合わせたものである。
フレネル反射は、次式で与えられ、第4図に示す関係を
表しているものである。
ρ=−(ρ、+ρV) ここでは、1は、入射角、j:ま、屈折角、ρ5は、水
面に平行な偏光面を持つ成分であり、p7は、水面に垂
直な偏光面を持つ成分である。第4図は、彼のない場合
における水面反射率「と入射角1との関係を示している
。第6図は、この場合における入射角1と、反射角にと
、屈折角jとの関係を示している。
フレネル反射は、水面かろの鏡面反射成分であり、例え
ば、入射角85°で入射した光は、その約60%は等し
い射出角で反射される。
可視光に関して考えれば、上方45°から水面を見た場
合は、約2%が鏡面反射で、他は水中への透過、吸収成
分と水中からの散乱反射成分をみることになり、水の色
をみることができる。
しかし、85°の方向からみた場合は、はとんどは、鏡
面反射により対岸あるいは空の景色を見ることになる。
遠赤外線(熱映像)に関しては、常温物体では透過(τ
)がゼロとなり、代わりに、物質自体かろの放射が行わ
れる。
放射率εと吸収率αは、キルヒホッフの法則により等し
いことが知られている。
したがって、 ミー 1−ρ                   
  (3)の関係が成り立つ。
遠赤外線により水面上方45°から見た場合は、フレネ
ル法則による鏡面反射成分は小さく、はとんど水面から
の熱放射赤外線となる。しかし、85°の方向からみた
場合は、60%近くが鏡面反射となるため、表面の放射
率はみかけ上小さくなり、対岸や空の温度を見ることに
なる。これは次の式により説明される。
R=εσT、十ρRA          (4)ここ
で、Rは、観測器に達する放射エネルギー、σは、ステ
ファンボルツマン定数、T、 は、水の温度、RA は
、天空放射(あるいは対岸の物質の放射)を表している
。もし、フレネル反射により、ρ=0.6、放射率は見
掛は上ε=0.4となった場合は(4)式より、水の温
度よりも、天空や対岸の物質の温度に近くなる。
これを測定1直として表すと、第5図に示す例のように
なると考えられる。第5図は、野外において温度一定の
水面をいろいろの角度から測定した指示温度の変化例を
示している。ここでは、撮影角度は、直下を撮影する場
合を0度としている。
曲線11は、晴天の日に測定した場合を示しており、曲
線12は、曇天の日に測定した場合を示して′5)る。
この第5図の曲線11および12からも明らかm;よう
に、水面における放射エネルギーは、角度により変化す
る。したがって、河岸から斜め方向に熱映像装置で水面
を観測する場合、表面水温よりも、水面形による鏡面反
射の影響が大きくなるって、水面形が見掛は上温度差の
ある温度パターンとして観測される。このため、水面に
温度差がなくとも、水面形があれば、見掛は上の温度パ
ターンとして観測することが可能となる。
一方、河川水表面は、通常、流れや風によって渦や彼が
発生し、凹凸やしわ状の膜様が分布している。このため
、河岸から下斜め方向に熱映像装置で水面を撮影すれば
、水面に発生している水面形である渦やしわ状模様等の
凹凸パターンを見掛:す上温度差のある温度パターンと
してとらえることができる。これら表面に発生している
凹凸パターンは、流れとともに移動しているものである
から、同じ撮影方向において、熱映像装置にて時間差を
もって水面を撮影すれば、その凹凸バクーンの移動を温
度パターンの移動として測定することができ、この温度
パターンの移動量から、その水面の流速を求めることが
できるのである。
種々実験してみた結果、水面の渦や彼等による見掛は上
の温度パターンを多く確実にとるえるには、前述の撮影
方向の角度θ。は、5°から20゜;′ll<好ましい
ことが分かった。5また、この撮影角度は、視野を広く
し、かつ、対岸の基準点を映像中にとらえる上でも好ま
しいことがわかった。
前述の説明は、本発明を河川等の水面の流速を測定する
場合について説明したが、本発明は、これに限らず、そ
の池の任意の液体の表面の流速を測定するのにも同様に
適用できるものである。
発明の効果 前述したことから明らかなように、本発明の測定方法に
よれば、次のような格別な効果が得られる。
(1)  液体表面に温度差がなくても流速を測定でき
る。
〔2)  本発明の測定方法は、熱映像装置を測定すべ
き液体表面に対して上方斜めから撮影できるように設置
するだけでよく、飛行機を使用したり、液体中に流速計
や超音波送受信器等を配置したり、また、液体中に浮子
等を投下する必要もないので、非常に簡単に流速を測定
できる。
(3)  本発明の測定方法では、熱赤外線による熱映
像装置にて撮影を行うものであるので、昼夜を問わず測
定を行うことができる。
(4)  本発明の測定方法は、電波干渉の問題を生ず
るおそれがなく、測定可能距離は、q〜lQk+n程度
となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の液体表面の流速を測定する方法を、
河川の水の流速を測定する場合に適用した場合を説明す
るだめの概略平面図、第2図は、第1図において熱映像
装置の撮影方向に沿ってとった拡大+概略断面図、第3
図は、本発明の実施例において撮影した映像の例を概略
的に示す刀、第4図:ま、波のない場合における水面反
射率rと入射角1との関係を示す図、第5図は、野外に
おいて温度一定の水面をいろいろの角度から測定した指
示温度の変化例を示す図、第6面は、入射角、反射角お
よび屈折角の関係を示す図である。 1・・・・・・水の表面、2.3・・・・・・河岸、4
・・・・・・熱映像装置、5・・・・・・基準点。 第1図 第2図 ム 第3図 第4図 /八、291弓(リ− 撮影角度(度) 第6図

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)流速を測定すべき液体表面を、該液体表面の斜め
    上方から熱映像装置を用いて撮影し、渦等によるその液
    体表面の凹凸パターンを見掛け上温度差のある温度パタ
    ーンとしてとらえ、該温度パターンの移動量を測定する
    ことによって前記液体表面の流速を求めることを特徴と
    する液体表面の流速を測定する方法。
  2. (2)前記熱映像装置の撮影方向は、前記液体表面に対
    して5°から20°の範囲内である特許請求の範囲第(
    1)項記載の液体表面の流速を測定する方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE10238539A1 (de) * 2002-04-17 2003-11-06 Markus Komposch Verfahren zur Durchflussmessung in Kanalschächten
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JP2020056650A (ja) * 2018-10-01 2020-04-09 一般財団法人電力中央研究所 画像解析装置、画像解析方法及び画像解析プログラム

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