JPH08201411A

JPH08201411A - 超音波流速測定方法および装置

Info

Publication number: JPH08201411A
Application number: JP6280913A
Authority: JP
Inventors: Masakatsu Ogaki; 正勝大垣; Hideto Ito; 日出人伊藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-11-15
Filing date: 1994-11-15
Publication date: 1996-08-09

Abstract

(57)【要約】【目的】計測時間内の渦や乱流の変動に影響を受けず
に流速を精度良く測定し、安定した流速の測定値を表示
する超音波流速測定方法および装置を提供する。【構成】河川や水路等の自然の流体１１の流速を測定
する超音波流速測定装置において、制御部４１が二つの
ユニットを同時に駆動させて、上流側と下流側の２箇所
のセンサー部１５ａ、１５ｂから超音波信号を互いの方
向に同時に発射してそれぞれの伝搬時間を計測する。こ
の、それぞれの伝搬時間の差から流速を測定する。ま
た、最新の流速値をその直前の流速値と比較して、直前
の流速値に加算あるいは減算等の処理を行って表示する
ことを測定毎に繰り返す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、河川や海洋のような
自然の流れにおける流速を、超音波を利用して、特に時
間差法を用いて計測する流速測定方法および装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、超音波を用いて流体の流速を
測定する方法として、時間差法、シングアラウンド法、
位相差法、ドップラー法等が知られているが、水路や河
川および海洋のように流体の断面に幅があるものには、
一般に時間差法が適している（文献１：海洋音響−基礎
と応用−、海洋音響研究会編、ｐｐ．２２７−２３１、
１９８４、文献２：超音波式流速計と流量観測、深町・
大垣、沖電気研究開発、第１１２号、Ｖｏｌ．４７、Ｎ
ｏ．３、ｐｐ．１５−２２、昭和５６年３月、文献３：
河川用超音波流速計、奥島ほか３名、社団法人電子通信
学会、ＵＳ７６−６３、１９７７年２月２８日、参
照）。

【０００３】図２の（Ａ）は従来の時間差法を用いた超
音波流速測定の原理を説明するためのブロック図であ
る。河川や海洋等のように流れの方向が一定である流体
１１において、流れの方向を１３とする。超音波信号を
やりとりする第１および第２の二つの超音波送受波器
を、流れに対して斜めに横断するように、それぞれ上流
側の一点に第１超音波送受波器（１５ａ）を、また、下
流側の一点に第２超音波送受波器（１５ｂ）を互いに対
向させて設置する。この上流側の一点と下流側の一点は
ある同一の水平面内の点とする。

【０００４】また、これら第１および第２超音波送受波
器（以下、単に送受波器またはセンサー部とも称する場
合がある。）１５ａおよび１５ｂから発射する超音波信
号の伝搬経路１７および１９は対向するセンサー部どう
しを結ぶ同一線上に存在し、超音波はこの同一伝搬経路
１７をセンサー部１５ａから１５ｂに向けて順方向に進
む。また、センサー部１５ａおよび１５ｂのそれぞれ
と、屋内に設置された超音波流速測定装置の本体部分と
がケーブルを介して接続されている。これらをすべてあ
わせたものが超音波流速測定装置である。以下、超音波
流速測定装置の動作につき説明をする。

【０００５】まず、制御部２１から送信部２３を動作さ
せる信号を送る。この信号は送信部２３を動作させ、さ
らに入出力回路（または、送受切替回路とも称する。）
２５を介して超音波を送信する信号（送信信号）となっ
て上流側のセンサー部１５ａを駆動し、このセンサー部
１５ａから下流側のセンサー部１５ｂに向けて超音波信
号を発射（送信）する。超音波信号は伝搬経路１７を通
ってセンサー部１５ｂにたどり着き、センサー部１５ｂ
で受信した超音波信号は入出力回路２５を介して受信信
号となり、受信部２７に送られる。この受信部２７で信
号は増幅・整形されてさらに計数部２９に送られる。計
数部２９では、超音波信号がセンサー部１５ａからセン
サー部１５ｂに伝搬した時間ｔ₁ を計数する。

【０００６】次に、一定時間経過後（例えば１秒後）
に、再び制御部２１から送信部２３を動作させる信号を
送り、入出力回路２５を介して下流側のセンサー部１５
ｂを駆動し、ここから上流側のセンサー部１５ａに向け
て超音波信号を発射し、同様にして超音波信号がセンサ
ー部１５ｂから伝搬経路１９を経てセンサー部１５ａに
伝搬した時間ｔ₂ を計数部２９で計数する。

【０００７】上記二つの超音波伝搬時間ｔ₁ およびｔ₂
の逆数の差が流速に比例することを利用して、演算処理
部３１において流体１１の断面の流速値を算出し、表示
部３３に記録表示する。

【０００８】なお、従来装置において、送信部２３と、
入出力回路２５と、受信部２７とで一つの送受信ユニッ
ト２０を構成している。以上のような動作を繰り返すこ
とで流速の連続観測を行う。

【０００９】このように、従来の方法では二つのセンサ
ー部１５ａおよび１５ｂにおける超音波信号の伝搬時間
の計測を、一定の時間間隔をおいて交互に行っている。
しかし、河川や水路等の流れの状態は常に一定ではな
く、細かい渦や乱流等が発生しながら時々刻々変動して
いるために、超音波の伝搬時間ｔ₁ およびｔ₂ をそれぞ
れ異なる時刻に計測するということは、それぞれ異なる
条件下で計測していることを意味する。

【００１０】図３は、河川の橋脚間の距離が約４５ｍの
区間において、上記のように二つのセンサー部１５ａお
よび１５ｂを、これら間を結ぶ直線が流れの方向に対し
てある角度をなすようにして対向設置し、それぞれのセ
ンサー部における超音波信号の伝搬時間を一秒ごとに６
０秒間実測した例を表すグラフである。下流側に設置し
たセンサー部１５ｂから上流側に設置したセンサー部１
５ａへの伝搬時間を実線Ｉで示し、上流側に設置したセ
ンサー部１５ａから下流側に設置したセンサー部１５ｂ
への伝搬時間を点線IIで示してある。横軸は一秒ごとの
経過時間、縦軸は超音波信号の伝搬時間をとってある。

【００１１】図３からも明らかなように、一見定常状態
で流れているように見える河川においても、超音波の伝
搬時間は絶えず変動している。このため、上流側のセン
サー部と下流側のセンサー部においてそれぞれ交互に超
音波の伝搬時間を測定する方法では、測定する時刻が異
なるので測定時の条件が違ってしまい、従って流速の測
定値に大きな誤差が生じることがある。

【００１２】また、河川や水路の管理上、全体的な流れ
の状態を把握するために、通常、一定区間の測定表示値
の平均処理が行われている。これは、測定した最新の値
と直前に測定した一定時間内の複数の値との平均を採用
する処理手法である。しかし、河川のように自然の流れ
の場合には、魚や浮遊物体および乱流等の障害物により
超音波の伝搬が乱されて測定した流速値（単に測定値と
もいう。）に異常が生じる場合があり、測定値に異常が
生じた時には上述のような平均処理を行っても表示値に
かなりの変動が起こってしまう。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】解決しようとする問題
点は、超音波信号を一定の時間間隔で交互に発射する従
来の方式では、上流側への伝搬時間と下流側への伝搬時
間とで計測する時刻が異なり、その間の渦や乱流の変動
の影響で測定時間中は同一条件であるという仮定が成立
しないために測定値に大きな誤差が生じる点と、大きな
誤差が生じた時には、一定区間の平均処理だけでは流速
表示値にかなりの変動が生じる点である。

【００１４】したがって、この発明の目的は、上述した
従来の問題点を解決するために、計測時間内の渦や乱流
の変動に影響を受けずに流速を精度良く測定し、安定し
た流速の測定値を表示する超音波流速測定方法および装
置を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】このため、この発明の超
音波流速測定方法によれば、以下のような特徴を有す
る。超音波を用いた時間差法による流速測定をするに当
たり、流路中に設定した同一の音波伝搬経路上の上流側
の点と下流側の点の２点間で、流れに向かって上流側の
点と下流側の点に向けて、この２点から同時に二つの超
音波信号を発射し、二つの超音波信号の２点間の伝搬時
間から流速を測定する。また、上述のような測定方法に
おいて、流速の測定を一定の時間間隔で測定する場合
に、今回測定した現在流速値がその直前に測定した流速
値に比べて大きい時には、直前の流速値に一定の値を加
算して表示し、現在流速値がその直前流速値に比べて小
さい時には、直前流速値から一定の値を引き算して表示
し、現在流速値がその直前流速値と同じ時には、直前流
速値をそのまま表示する。

【００１６】また、この発明の超音波流速測定装置にお
いて、以下の〜を含むことを特徴とする。流体中に設けられて超音波信号の発射と受信とを行う
第１および第２送受波器。超音波信号を第１および第２送受波器から同時に発射
させるための制御信号を発生する制御部。制御信号を受けて第１送受波器を駆動して超音波信号
を発射するための送信信号を発生する第１送信部、第１
送受波器からの超音波信号の受信信号を受信して受信パ
ルス信号を発生する第１受信部、および第１送信部から
の送信信号を第１送受波器に送り、または第１送受波器
からの受信信号を第１受信部に送るための第１入出力回
路を具える第１送受信ユニット。制御信号を受けて第１送信部と同時に第２送受波器を
駆動して超音波信号を発射するための送信信号を発生す
る第２送信部、第２送受波器からの超音波信号の受信信
号を受信して受信パルス信号を発生する第２受信部、お
よび第２送信部からの送信信号を第２送受波器に送り、
または第２送受波器からの受信信号を第２受信部に送る
ための第２入出力回路を具える第２送受信ユニット。送信信号の発生から受信パルス信号の発生までの時間
を計測して第１送受波器から第２送受波器への順方向の
およびそれとは逆方向の超音波信号の伝搬時間をそれぞ
れ測定する計数部。測定された順および逆方向の両伝搬時間から流体の流
速を算出する演算処理部。算出された流速を記録表示する記録表示部。

【００１７】また、この発明の超音波流速測定装置の演
算処理部は以下の(a) 〜(e) を具えたことを特徴として
いる。 (a) 測定条件を表すデータを格納する第１メモリ領域。 (b) 順および逆方向の伝搬時間と測定条件とから流速値
を算出する演算回路。 (c) 算出された各流速値を更新可能な状態で格納する第
２メモリ領域。 (d) 今回の測定で得られた現在流速値と、直前の測定で
得られた直前流速値との大小を比較する比較器。 (e) 比較器による比較結果に応じて直前流速値に対し一
定量の補正量を加算または減算する加減算器。また、上記の(a) 〜(e) を具えた演算処理部を有する超
音波流速測定装置において、上述の補正量を表示部での
流速の表示単位以上の量とするのがよい。

【００１８】

【作用】この発明の超音波流速測定方法および装置によ
れば、制御部が第１および第２の二つの送受信ユニット
の第１および第２送信部を同時に駆動させることによ
り、上流側と下流側の２箇所のセンサー部において、超
音波信号を順および逆の互いの方向に同時に発射して伝
搬してきた超音波信号を、対向するそれぞれのセンサー
部で検出し、超音波の発射と検出までの順方向および逆
方向の伝搬時間を計数部でそれぞれ計測することができ
る。このため順、逆両方向の伝搬速度の測定時の条件は
同一となり、より精度の高い測定値が得られる。

【００１９】また、演算処理部において、最新の流速値
をその直前の流速値と比較して、その判定結果に応じて
直前の流速値に一定の補正量の加算、あるいは減算等の
処理を行って測定した流速値の急激な変動の補正をする
ことで、変動が少なく安定した流速測定値を表示するこ
とができる。

【００２０】

【実施例】以下、図面を参照しながらこの発明の実施例
につき説明する。なお、図はこの発明の構成を理解でき
る程度に各構成の配置関係等を概略的に示したものであ
る。

【００２１】図１は、この発明の実施例を説明するため
のブロック図である。河川あるいは水路等の流れの方向
が一定方向である流体１１において、流れの方向を１３
とする。超音波信号をやりとりする第１および第２セン
サー部（超音波送受波器または単に送受波器ともい
う。）１５ａおよび１５ｂを、流れに対して斜めに横断
するように設置する。この場合、上流側の点に第１セン
サー部１５ａを、および下流側の点に第２センサー部１
５ｂを流体中の同一水平面内において対向させて設置す
る。これにより、センサー部１５ａおよび１５ｂから発
射する超音波信号の伝搬経路１７および１９は対向する
センサー部どうしを結ぶ線上に存在し、向きは逆向きで
ある。また、センサー部１５ａおよび１５ｂのそれぞれ
と、屋内に設置された超音波流速測定装置の本体部分と
がケーブルを介して接続されている。これらをすべてあ
わせたものが超音波流速測定装置である。

【００２２】まず、流速の算出の原理を図１を参照して
説明する。流速をｖ、音速をｃ、同一水平面内に設けた
センサー部１５ａと１５ｂとの流れの方向における距離
をｄ、伝搬経路１７および１９と流れの方向１３に対し
て垂直な方向とのなす角をθとすると、センサー部１５
ａから１５ｂへの超音波信号の伝搬時間ｔ₁ は、以下の
式（１）で表される。

【００２３】

【数１】

【００２４】一方、センサー部１５ｂから１５ａへの伝
搬時間ｔ₂ は、以下の式（２）で表される。

【００２５】

【数２】

【００２６】上記二つの伝搬時間ｔ₁ およびｔ₂ の逆数
の差から、実質的に、測定の瞬時値といえる流速ｖが以
下のような式（３）で算出される。

【００２７】

【数３】

【００２８】上記のように、二つの超音波信号を同時に
発射し、二つの超音波信号の伝搬時間ｔ₁ およびｔ₂ を
同時に測定するので、同条件下で測定することができ
る。また、同条件下で測定するために、伝搬経路上の渦
や乱流の変動による伝搬時間の影響は同じであるが、ｔ
₁ とｔ₂ との差をとることにより、この変動分は相殺さ
れる。このため、実際には渦や乱流の影響をほとんど受
けることなく流速を測定することができる。

【００２９】次に、この測定装置の本体部分の構成につ
き説明する。この本体部分は、第１センサー部（送受波
器）１５ａに接続されている第１送受信ユニット４０
と、第２センサー部（送受波器）１５ｂに接続されてい
る第２送受信ユニット４２と、これら第１および第２送
受信ユニット４０および４２のそれぞれに接続されてい
る制御部４１および計数部４９と、この計数部４９に接
続されている演算処理部５１と、この演算処理部５１に
接続された記録表示部５３とを具えている。そして、第
１および第２送受信ユニット４０および４２の内部の構
成自体は、図２で説明した従来の送受信ユニット２０の
構成とほぼ同様であるが、この発明では、第１および第
２センサー部１５ａおよび１５ｂに対し専用のユニット
４０および４２を個別に設けている点が相違する。した
がって、第１送受信ユニット４０は、第１センサー部１
５ａに接続された第１入出力回路４５ａと、この第１入
出力回路４５ａに接続された第１送信部４３ａと第１受
信部４７ａとを具えている。同様に、第２送受信ユニッ
ト４２は、第２センサー部１５ｂに接続された第２入出
力回路４５ｂと、この第２入出力回路４５ｂに接続され
た第２送信部４３ｂと第２受信部４７ｂとを具えてい
る。

【００３０】さらに、制御部４１は、その構成自体は、
図２で説明した従来の制御部２１と同様な構成とするこ
とができる。この制御部４１は、例えば、クロックパル
ス発生器（図示せず）を具えていて、それからのクロッ
クパルスで第１および第２送受信ユニット４０および４
２、第１および第２センサー部１５ａおよび１５ｂ、計
数部４９、演算処理部５１および記録表示部５３の動作
のタイミングをとるように構成する。そして、この制御
部４１は、第１および第２送信部４３ａおよび４３ｂに
それぞれ接続してあって、制御部４１から発生した制御
信号が同時に第１および第２送信部４３ａおよび４３ｂ
に供給されて、これら両送信部を同時に駆動する。この
制御信号は、一定時間間隔を持った連続発生であればよ
い。なお、これら第１および第２送信部４３ａおよび４
３ｂは、図２で説明した従来の送信部２３と同様なこと
ができ、要は、制御信号を受信したとき、超音波信号の
発射の信号すなわちここでは送信信号を発生する構成で
あれば、その構成は問わない。

【００３１】ここで、第１および第２入出力回路４５ａ
および４５ｂの構成側を図２の（Ｂ）を用いて簡単に説
明する。両回路４５ａおよび４５ｂとも同一の回路構成
をとるので、一方の回路４５ａを例に挙げて説明する。
送信部４３ａと受信部４７ａとを結ぶ高圧側配線路中に
第１ダイオード回路Ｄ１と抵抗Ｒとを直列に接続してあ
る。第１ダイオード回路Ｄ１は二つのダイオードを順方
向および逆方向に、並列に配列して設けてある。また、
高圧側配線路と、設置側配線路との間であって、抵抗Ｒ
と受信部４７ａとの間に、第２ダイオード回路Ｄ２を接
続してある。この第２ダイオード回路Ｄ２は、二つのダ
イオードを順方向および逆方向に、並列にして両線路間
に設けてある。そして、第１ダイオード回路Ｄ１と抵抗
Ｒとの間の接続中点と設置側線路との間に第１センサー
部１５ａを接続してある。

【００３２】第１および第２入出力回路４５ａおよび４
５ｂは、第１および第２送信部４３ａおよび４３ｂで発
生した高電圧の送信信号に対しては、高電圧の送信信号
を第１および第２送受波器１５ａおよび１５ｂには通す
が、第１および第２受信部４７ａおよび４７ｂ側には、
リミッターの働きをして、第１および第２受信部４７ａ
および４７ｂに高電圧を遮断して通さない。また、第１
および第２送受波器１５ａおよび１５ｂからの受信信号
の小電圧の信号に対しては、第１および第２送信部４３
ａおよび４３ｂのインピーダンスが第１および第２受信
部４７ａおよび４７ｂのインピーダンスに比べて十分大
きく、受信信号の大部分は第１および第２受信部に供給
され、第１および第２送信部４３ａおよび４３ｂには供
給されない。このような回路構成であれば、上述した図
２（Ｂ）で説明した回路構成でなくても良く、その手法
は問わない。

【００３３】第１および第２受信部４７ａおよび４７ｂ
は、第１および第２センサー部１５ａおよび１５ｂから
の受信信号を一旦増幅してから波形整形を行って短形パ
ルスに変えて、この短形パルスを受信パルス信号として
発生する回路であり、これら両回路を、図２で説明した
従来の受信部２７と同様な構成とすることができる。

【００３４】計数部４９は、第１および第２送信部４３
ａおよび４３ｂに接続されていて、いずれか一方または
両者から送信信号を受信する。この計数部４９は、クロ
ックパルス発生器（図示せず）とこれより発生するクロ
ックパルスを順次に計数する第１および第２計数回路
（カウンタ）（図示せず）とを具えている。

【００３５】さらに、第１および第２送信部４３ａおよ
び４３ｂの両者からトリガー信号が送られる場合には、
両送信信号の論理積（アンド）回路を設けて論理積信号
で第１および第２計数回路を始動させるように構成して
もよい。もちろん、いずれか一方の送信部からの送信信
号で計数回路を始動させる構成としてもよい。クロック
パルス発生器は、例えば、装置の全体を始動するために
電源を入れたときに、作動を開始するように構成してお
くのがよいが、上述の送信信号で始動するように構成し
てもよい。

【００３６】一方、第１および第２計数回路の計数停止
は、第１受信部４７ａからの受信パルス信号を、第１計
数回路が受信したときにこの第１計数回路での計数を停
止し、また、第２受信部４７ｂからの受信パルス信号を
第２計数回路が受信したときに、この第２計数回路での
計数を停止するように構成するのがよい。いずれにして
も、この計数部４９は、第１センサー部１５ａから第２
センサー部１５ｂへの順方向の、およびその逆方向の、
超音波信号の伝搬時間ｔ₁ およびｔ₂ をそれぞれ個別に
計測してその計測結果を表す第１および第２計測信号を
出力できる構成であれば、どのような構成をとるかは問
わないので、図２で説明した従来の計数部２９と同様に
構成してもよい。また、厳密に言えば、送信信号の発生
時と超音波信号の発生時とは時刻が異なり、また、超音
波信号の受信時と受信パルス信号の受信時とは時刻が異
なるが、それぞれの時刻の差は、測定上同一の時刻とみ
なして差し支えない程度の差であり、測定結果に実質的
な影響は出ない。したがって、送信信号および受信パル
ス信号を用いて伝搬時間ｔ₁ およびｔ₂ の計測を行って
いる。

【００３７】演算処理部５１は、計数部４９から第１お
よび第２計数信号を受信すると、順および逆方向の二つ
の伝搬時間ｔ₁ およびｔ₂ から流速を算出するための処
理を行って、その結果を記録表示部５３へ送出する回路
である。この演算処理部５１は、いわゆるマイクロコン
ピュータを利用して構成する。図４は、この演算処理部
５１の構成例を示している。この演算処理部５１は、メ
モリ６０と、演算回路６２と、比較器６４と、加減算器
６６と、これらを制御する制御回路６８と、演算処理部
５１を作動させるに通常必要とされる他の回路要素とを
含んでいる。メモリ６０には、あらかじめ測定条件を表
すデータを外部の入力手段（図示せず）例えばキーボー
ド操作等によって入力して格納しておく第１メモリ領域
７０を設けてある。この場合の測定条件とは、式（３）
から流速ｖを求めるための諸条件、例えば、第１および
第２センサー部１５ａおよび１５ｂを結ぶ線を斜辺とす
る直角三角形を考えたとき、流れの方向１３と直交する
辺と斜辺とのなす角度をθとするときのｓｉｎθの値ま
たは２ｓｉｎθの値、流れの方向１３に沿った、第１お
よび第２センサー部１５ａおよび１５ｂ間の距離（すな
わち、流れの方向１３に沿った辺の距離）ｄ、ｔ₁ およ
びｔ₂ のそれぞれの逆数１／ｔ₁ および１／ｔ₂ 等があ
り、これらを、予想されるｄ、θ、ｔ₁ およびｔ₂ の値
についてテーブル状に格納しておく。

【００３８】さらに、演算回路６２は、例えば、（１／
ｔ₂ −１／ｔ₁ ）の演算、ｄ／２ｓｉｎθの演算および
（ｄ／２ｓｉｎθ）を、（１／ｔ₂ −１／ｔ₁ ）で除算
して流速値を算出する演算を行うのがよい。なお、仮
に、（１／ｔ₂ −１／ｔ₁ ）および、ｄ／２ｓｉｎθの
値についても第１メモリ領域７０に格納できるとすれ
ば、演算回路６２では（ｄ／２ｓｉｎθ）を（１／ｔ₂
−１／ｔ₁ ）の除算のみ行って流速値を得る演算を行え
ばよい。

【００３９】さらに演算処理部５１のメモリ６０は、少
なくとも、伝搬時間ｔ₁ およびｔ₂と算出された流速の
測定値（流速値ともいう。）を各測定の都度、格納でき
る第２メモリ領域７２を具えている。この測定値は後述
する補正処理によって得られた補正済測定値で更新可能
とする。

【００４０】さらに、演算処理部５１は、比較器６４を
具えており、この比較器６４は、今回測定されて得られ
た今回測定値（今回流速値ともいう。）と、その直前に
測定されて得られた直前測定値（直前流速値ともい
う。）とを比較して比較結果を出力する回路である。

【００４１】さらに、演算処理部５１は、この比較器６
４から得られた比較結果に応じて、必要ならば、直前測
定値の補正を行うための加減算器を具えている。このと
きの補正量Ｓは、絶対値で考えたとき、記録表示部５３
で流速表示を行うときの、表示の最小単位の量以上の値
とする。例えば、最小単位が１ｃｍ／ｓであるとする
と、補正量Ｓは、例えば、Ｓ＝１ｃｍ／ｓとすることが
できるし、これよりも大きい、例えばＳ＝２ｃｍ／ｓ等
々ともすることができる。

【００４２】記録表示部５３は、映像機を用いた画面表
示方式であってもよく、あるいは、適当な方法で印字表
示する方式であってもよい。また、記録はフロッピーデ
ィスク等に記録する方式でもよい。

【００４３】上述した説明においては、この発明の超音
波流速測定装置の構造の一例につき説明したが、この装
置を構成する回路、その他の構成要素は、それぞれの作
用・機能を達成すれば、上述したそれぞれの回路、その
他の構成要素の構造以外の構造であってもよい。例え
ば、演算処理部５１の制御回路６８を制御部４１で兼用
してもよく、また、計数部４９に設けたクロックパルス
発生器（図示せず）を制御部４１のクロックパルス発生
器と兼用してもよい。

【００４４】以下、この超音波流速測定装置の動作につ
き説明をする。まず、電源を入れて装置全体を動作状態
にした後、制御部４１から二つの第１および第２ユニッ
ト４０および４２に同時に制御信号を送り込むと同時
に、第１および第２送受送受入出力回路４５ａおよび４
５ｂを、第１および第２センサー部１５ａおよび１５ｂ
と第１および第２送信部４３ａおよび４３ｂとの間に、
それぞれ対応して接続させる。制御信号を、例えば、一
秒ごとに連続させて発生させて、それぞれのユニット４
０および４２の送信部４３ａおよび４３ｂを同時に動作
させて超音波信号の発射を行う信号である送信信号をそ
れぞれ発生する。送信信号は、それぞれの入出力回路４
５ａ、４５ｂを介して第１および第２センサー部１５ａ
および１５ｂをそれぞれ同時に駆動して互いに向かい合
う側のセンサー部、すなわち第１から第２センサー部に
向けて順方向に、また、第２から第１センサー部に向け
て逆方向に超音波信号を発射する。これらの制御信号は
計数部４９にも供給されてクロックパルスの計数を同時
に開始させる。超音波信号はそれぞれ伝搬経路１７また
は１９を経て対向するセンサー部１５ａまたは１５ｂに
たどり着く。センサー部１５ａおよび１５ｂで超音波信
号を受信すると、それぞれ受信信号を発生する。第１お
よび第２入出力回路４５ａおよび４５ｂは、送信信号が
第１および第２センサー部１５ａおよび１５ｂに送られ
た後、切り替わり、第１センサー部１５ａを第１受信部
４７ａに接続し、また、第２センサー部１５ｂを第２受
信部４７ｂに接続する。したがって、それぞれの受信信
号は、入出力回路４５ａ、４５ｂを経て受信部４７ａ、
４７ｂでそれぞれ増幅・整形されて受信パルス信号とな
り、両受信部４７ａ、４７ｂから個別の受信パルス信号
が計数部４９に供給されて、計数部４９でのクロックパ
ルスの計数を個別に停止する。クロックパルスは、周知
の通り、クロックパルス発生器（図示せず）から、一定
の周期で発生しているのでクロックパルスの計数値は時
間に対応する。したがって、送信信号の受信時からクロ
ックパルスの発生個数を計数し始めて受信パルス信号を
受信したときにその計数を停止して、計数開始から計数
停止までのクロックパルスの発生数を時間に換算すれ
ば、上述した第１センサー部１５ａから第２センサー部
１５ｂへの順方向の超音波信号の伝搬時間ｔ₁ とその逆
方向の伝搬時間ｔ₂ が求まる。このように、計数部４９
において各々の超音波信号の伝搬時間ｔ₁ およびｔ₂ を
計数して、これらの時間データを演算処理部５１へ送
る。この実施例では、測定された伝搬時間ｔ₁ およびｔ
₂ は、図３の曲線ＩおよびIIで与えられるような時間と
する。なお、図３は、既に説明したように、測定中の任
意の６０秒間のデータを示しているにすぎない。

【００４５】次に、処理部５１において、まず、伝搬時
間ｔ₁ およびｔ₂ から流速を算出する。この算出処理の
一例を図４および図５を用いて説明する。なお、図５
は、演算処理部５１での処理のフロー図で、各処理ステ
ップをＳに番号を付して示す。処理がスタート（Ｓ１）
すると、計数部４９から、伝搬時間ｔ₁ およびｔ₂ を表
すデータが入力される（Ｓ２）。これらデータを一旦第
２メモリ領域７２に記憶させる。次に、これらｔ₁ およ
びｔ₂ のデータを読み出して（Ｓ３）、演算回路６２に
送り、ここでＡ＝（１／ｔ₂ −１／ｔ₁ ）の演算を行
い、その結果を第２メモリ領域７２に記憶させる（Ｓ
４）。次に、第１メモリ領域７０から、距離ｄと、２ｓ
ｉｎθのデータを読み出してきて（Ｓ５）、Ｂ＝ｄ／２
ｓｉｎθの演算を行ってその結果を第２メモリ領域７２
に記憶させる（Ｓ６）。続いて、第２メモリ領域７２か
らＡおよびＢを読み出してきて流速ｖを式（４）に従っ
て演算する（Ｓ７）。

【００４６】

【数４】

【００４７】この（４）式の演算結果を第２メモリ領域
７２に一旦記憶させる（Ｓ８）。

【００４８】次に、第２メモリ領域７２にアクセスを行
って直前流速値Ｈが記憶されているかどうかを問い合わ
せ（Ｓ９）、直前流速値Ｈが記憶されていない場合に
は、ステップ（Ｓ２）に戻り次の時刻での流速値の処理
を行う。このアクセスで直前流速値Ｈと、今回の測定で
記憶された現在流速値Ｄとを読み出す（Ｓ１０）。次
に、これら読み出した流速値ＨとＤの大小の比較を行う
（Ｓ１１）。この比較処理では、以下の（イ）〜（ハ）
のような処理をし、これを各測定毎に繰り返す。

【００４９】（イ）直前流速値Ｈよりも現在流速値Ｄが
大きい（Ｄ＞Ｈ）ときには（Ｓ１１）、直前の流速値Ｈ
に、補正量として、記録表示部５３で表示する最小単位
または最小単位以上の一定の値ａ（例えば１ｃｍ／ｓ）
を加算して、加算値（Ｈ＋ａ）を補正値として得る（Ｓ
１２）。

【００５０】（ロ）また、Ｄ＝Ｈならば（Ｓ１１）、直
前の流速値Ｈをそのままとする（Ｓ１３）。

【００５１】（ハ）さらに、Ｄ＜Ｈならば（Ｓ１１）、
直前流速値Ｈから、補正量として記録表示部５３で表示
する最小単位または最小単位以上の一定の値ａ（例えば
１ｃｍ／ｓ）を引き算して減算値（Ｈ−ａ）を補正値と
して得る（Ｓ１４）。

【００５２】次に、Ｓ１２とＳ１４の処理の補正結果を
第２メモリ領域７２に送り、補正前のデータ補正値を更
新する（Ｓ１５）。次に補正値（Ｈ＋ａ）、（Ｈ−ａ）
または補正しなかったＨを次段の記録表示部５３へ出力
する（Ｓ１６）。次に、Ｓ２からＳ１６までの処理を次
の測定に対してリピートするかどうか判断し（Ｓ１
７）、リピートする場合には、処理ステップＳ２へ戻
り、リピートしない場合には、この一連の処理を終了す
る（Ｓ１８）。

【００５３】上述した、Ｓ１〜Ｓ１６の処理で得られた
一分毎の、６０分間にわたる流速測定の結果を横軸に時
間（分単位）および縦軸に流速（ｍ／ｓ）でプロットし
て図６に示す。すでに説明したように、この図６の曲線
は、図３に曲線ＩおよびIIで示す伝搬時間ｔ₁ およびｔ
₂ に基づいて処理して得られた結果であり、比較処理後
に出力された（Ｓ１６）結果を曲線III で示す。同図６
に、比較のため比較処理前の、すなわち、処理ステップ
Ｓ７で得られた結果（瞬時値から求めた直接の流速値）
を曲線IVで示してある。曲線III は、曲線IVに比べて変
動の振幅が小さくなり、多少の応答後れがあることがわ
かる。

【００５４】自然の河川や水路では、魚や流木等の障害
物のために超音波信号がさえぎられ、測定値がその前後
の値に比べて明らかに異なるような誤動作が発生するこ
とがある。しかし、本来、河川や水路の流速は急激に変
動することはなく、徐々に変動するので、本発明の上述
した（イ）から（ハ）の処理方式（一種の積分処理とい
える。）の実施例により、誤動作の影響を低減すること
ができる。河川や水路等の流速は全体としてはほぼ一定
の状態で流れているように見えても、部分的には細かく
変動しながら流れている。したがって、超音波信号の伝
搬経路にあたる部分においても時間的に細かく変動して
いるので、伝搬時間も細かく変動している（図３参
照）。超音波による測定は精度が良いので各瞬時値の測
定が可能である。しかし、河川や水路等の管理上からみ
ると、これらの細かい変動よりも、むしろ全体としての
流れの状態を把握することが必要な場合が多い。このた
め、各瞬時値をそのまま表示すると、変動が大き過ぎて
しまい、全体の状況の判断に困難な場合が生じてしま
う。そこで、本発明の上述した実施例の（イ）から
（ハ）までの処理のように各測定毎に表示の最小単位以
下の任意の補正量ａを１単位として、１単位ずつ増減し
て表示する処理方法によると、図６の曲線III と曲線IV
とを比較すると理解できるように、急激な流速値の変動
がなくなるため、全体としての流速の把握が容易にな
り、河川や水路の管理に寄与する効果が大きい。

【００５５】この発明は、上述した実施例のみに限定さ
れるものではないことは明らかである。実施例における
測定装置では、二つのユニット４０、４２を１組とし
て、それぞれのユニットのセンサー部から発射された超
音波信号が同一の伝搬経路を行き来する方法で流速を測
定しているが、複数組のユニットを用いる場合、例え
ば、２組のユニットを用いて二つの伝搬経路が交差する
ような方法で測定する構造の装置でも、同様の効果が得
られる。

【００５６】

【発明の効果】上述した説明からも明らかなように、こ
の発明の超音波流速測定方法およびその装置によれば、
制御部が二つのユニットを同時に駆動させることによ
り、上流側と下流側の２箇所のセンサー部において、超
音波信号を互いの方向に同時に発射してそれぞれの伝搬
時間を計測することができる。このため測定時の条件は
同一となり、より精度の高い測定値が得られる。しか
も、それぞれの伝搬時間の差をとることにより、渦や乱
流の変動による伝搬時間への影響は相殺され、これらの
変動による影響を実際にはほとんど受けることなく流速
を測定することができる。

【００５７】また、最新の測定値（流速値）をその直前
の測定値（流速値）と比較して、直前の流速値に加算減
算等の処理を行って表示することで、変動が少なく安定
した流速値を表示することができ、河川や水路の管理に
役立つ。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の超音波流速測定装置の一実施例の説
明のためのブロック図である。

【図２】（Ａ）は、従来の時間差法を用いた超音波流速
測定の原理を説明するためのブロック図である。（Ｂ）
は、入出力回路の構成例を示す回路図である。

【図３】河川における、二つのセンサー部での超音波信
号の伝搬時間の実測例を示すグラフである。

【図４】この発明の超音波流速測定装置の演算処理部に
おける動作の説明図である。

【図５】演算処理部における処理のフロー図である。

【図６】演算処理部で補正した後の流速の表示値を示す
グラフである。

【符号の説明】

１１：水路または河川等の流体１３：流れの方向１５：超音波送受波器（センサー部）１７、１９：超音波信号の伝搬経路２０：送受信ユニット２１：制御部２３：送信部２５：入出力回路２７：受信部２９：計数部３１：演算処理部３３：表示部４０、４２：送受信ユニット４１：制御部４３ａ：第１送信部４３ｂ：第２送信部４５ａ：第１入出力回路４５ｂ：第２入出力回路４７ａ：第１受信部４７ｂ：第２受信部４９：計数部５１：演算処理部５３：記録表示部６０：メモリ６２：演算回路６４：比較器６６：加減算器６８：制御回路７０、７２：メモリ領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波を用いた時間差法による流速測定
をするに当たり、流路中に設定した同一の音波伝搬経路
上の上流側の点と下流側の点の２点間で、流れに向かっ
て上流側の点と下流側の点に向けて前記２点から同時に
二つの超音波信号を発射し、前記二つの超音波信号の前
記２点間の伝搬時間から流速を測定することを特徴とし
た超音波流速測定方法。
【請求項２】請求項１に記載の超音波流速測定方法に
おいて、前記流速の測定を一定の時間間隔で測定する場
合に、今回測定した現在流速値がその直前に測定した直
前流速値に比べて大きい時には、直前の流速値に一定の
値を加算して表示し、現在流速値がその直前流速値に比
べて小さい時には、直前流速値から一定の値を引き算し
て表示し、現在流速値がその直前流速値と同じ時には、
直前流速値をそのまま表示することを各測定毎に繰り返
すことを特徴とした超音波流速測定方法。
【請求項３】流体中に設けられて超音波信号の発射と
受信とを行う第１および第２送受波器と、前記超音波信号を前記第１および第２送受波器から同時
に発射させるための制御信号を発生する制御部と、該制御信号を受けて前記第１送受波器を駆動して超音波
信号を発射するための送信信号を発生する第１送信部、
前記第１送受波器からの超音波信号の受信信号を受信し
て受信パルス信号を発生する第１受信部、および前記第
１送信部からの送信信号を前記第１送受波器に送りまた
は前記第１送受波器からの受信信号を前記第１受信部に
送るための第１入出力回路を具える第１送受信ユニット
と、前記制御信号を受けて前記第１送信部と同時に前記第２
送受波器を駆動して超音波信号を発射するための送信信
号を発生する第２送信部、前記第２送受波器からの超音
波信号の受信信号を受信して受信パルス信号を発生する
第２受信部、および前記第２送信部からの送信信号を前
記第２送受波器に送りまたは前記第２送受波器からの受
信信号を前記第２受信部に送るための第２入出力回路を
具える第２送受信ユニットと、前記送信信号の発生から前記受信パルス信号の発生まで
の時間を計測して前記第１送受波器から第２送受波器へ
の順方向のおよびそれとは逆方向の超音波信号の伝搬時
間をそれぞれ測定する計数部と、測定された順および逆方向の両伝搬時間から前記流体の
流速を算出する演算処理部と、算出された流速を記録表示する記録表示部とを含むこと
を特徴とする超音波流速測定装置。
【請求項４】請求項３に記載の超音波流速測定装置に
おいて、前記演算処理部は測定条件を表すデータを格納する第１
メモリ領域と、前記順および逆方向の伝搬時間と前記測定条件とから流
速値を算出する演算回路と、算出された各流速値を更新可能な状態で格納する第２メ
モリ領域と、今回の測定で得られた現在流速値と、直前の測定で得ら
れた直前流速値との大小を比較する比較器と、該比較器による比較結果に応じて前記直前流速値に対し
一定量の補正量を加算または減算する加減算器とを具え
ることを特徴とする超音波流速測定装置。
【請求項５】請求項４に記載の超音波流速測定装置に
おいて、前記補正量を前記表示部での流速の表示単位以
上の量とすることを特徴とする超音波流速測定装置。