JPS581732B2 - 垂直水温分布計測方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は垂直水温分布計測方法に関するものである。

水中温度の垂直分布を計測するための装置として、転倒
温度計、ＢＴ（Ｂａｔｈｙｔｈｅｒｍｏｑｒａｐｈ）、
ＳＴＤ（Ｓａｌｉｎｉｔｙ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
Ｄｅｐｔｈ）およびＸＢＴ（Ｅｘｐｅｎｄａｂｌｅ Ｂ
ａｔｈｙｔｈｅｒｍｏｑｒａｐｈ）などがこれまで使用
されている。

転倒温度計は水温計測の精度が高いものであるけれども
、温度の連続測定ができず、各深度ごとに計測を行なわ
ねばならず、垂直水温分布を求めるのに多くの時間を必
要とするという欠点をもっている。

また、水銀温度計をロープで水中に吊して使用するため
、その取扱いが面倒であり、深い場所の水温を計測する
ことは困難なものである。

ＢＴ，ＳＤＴは測定時間については転倒温度計よりも短
くてすむものの、やはり実際に測定に長時間を必要とす
るものである。

その上、比較的太いロープで水中に吊して使用されるた
めに、転倒温度計と同様の欠点を有する。

また、使用している温度センサと深度センサとはともに
高価であり、水密性をよくする必要性からも、かなり高
価な計測装置となっている。

以上に述べた３種の垂直水温分布計測装置は、水温計測
部を比較的太いロープで吊して使用されるものであるた
めに、測定場の水流が激しいときや、測定船が移動する
ときには、測定が困難であるということも、大きな欠点
となっている。

ＸＢＴは温度センサを内藏した物体を水中に投げこみ、
水中を降下しながら検知した水温情報を細くて長い導線
で得るものであるので、安価でしかも迅速な水温計測が
できる装置となっている。

しかし、有線方式であるために、導線にまつわるトラブ
ルが生じやすく、その取扱いが煩雑である。

また、深度情報を、水中を落下する物体の自由落下速度
一定という前提に立って算出しているので、落下速度の
変化はそのまま測定誤差として残る。

本発明は上述した種々の欠点を解決することができるも
ので、超音波で情報を伝送し、ドツプラ効果を利用する
ことにより、圧力センサを用いることなく止確な深度情
報が得られるように構成しており、これによって測定精
度がよく、しかも取扱いが簡単で安価な垂直水温分布計
測装置を提供するものである。

以下、本発明の方法の実椎例について、図面を用いて説
明する。

この垂直水温分布計測装置は、水中を自由落下しながら
水温を検知して、水温情報を外部の媒質へ超音波放射す
る送波部と、上記放射信号を受波して処理することによ
り、垂直水温分布を得る受波部の二つの要素に大別され
る。

第１図は送波部のブロック図であり、第２図は送波部の
各部の信号関係を示すタイミングチャートであり、まず
、これらの図を用いて送信部の構成、動作から説明する
。

図において、１は水温を検知するためのサーミスタであ
り、無安定マルチバイブレータ２の発振周波数を決める
抵抗素子として用いられている。

信号Ｓ１は無安定マルチバイブレータ２の出力波形を示
し、水温によってパルス間隔が変化する。

３は単安定マルチバイブレータであり、Ｓ１の立上りで
動作し、一定時間幅のパルス信号を発生する。

４，５は単安定マルチバイブレータであり、それぞれ前
段の単安定マルチバイブレータ３，４の出力信号の立下
りで動作し、一定時間幅のパルス信号を発生ずる。

単安定マルチバイブレータ３，５の出力信号は論理和回
路６で論理和かとられ、信号Ｓ２を発生する。

７は水晶発掘回路で、その出力信号は分周回路８によっ
て分周され、超音波搬送波信号となる。

上記搬送波信号は論理積回路７で信号Ｓ２と論理積がと
られ、信号Ｓ３となる。

したがって、この信号Ｓ３は、パルス間隔Ｔｔｉが水温
によって変化し、パルス信号内に一定周波数の搬送波を
有する信号となる。

１０はカウント回路で、そのイネーブル端子が単安定マ
ルチバイブレータ５の出力端子に接続されており、この
単安定マルチバイブレータ５の出力信号が印加されたと
き、その立下りで水晶発振回路７の出力信号の計数を開
始し、一定個数の計数を完了すると、単安定マルチバイ
ブレータ１１を動作させ、信号Ｓ４を出力させる。

信号Ｓ４の時間間隔Ｔｄは水晶発掘回路７の出力信号の
それと同じ安定度を有する。

１２は論理積回路で、信号Ｓ４と分周回路８の出力信号
との論理和をとって信号Ｓ５を発生する。

１３は論理和回路で、信号Ｓ ３ ， Ｓ ５の論理和
をとって信号Ｓ６を発生する。

したがって、この信号Ｓ６は水温によってパルス間隔が
変化するパルス信号と、ト記パルス信号と水晶発振の安
定度で時間間隔が一定なパルス信号を含むことになる。

１４は電力増幅器で、ト記信号Ｓ６を増幅して超音波送
波器１５に供給する。

超音波送波器１５は供給された電気信号を音響信号に変
換して水中へ放射する役目をもつ。

以上述べた送波部は測定船より水中に投下され、以下に
述べる受波部で放射信号を受彼し、電気的処理を施すこ
とによって水温の垂直分布が得られる。

第３図は受波部のブロック図であり、第４図は受波各部
の信号のタイミングチャートである。

これらの図を用いて受彼部の構成、動作について説明す
る。

図において、１６は送彼部から送られてくる超音波信号
を受波するための超音波受波器であり、その受波彼形は
信号Ｓ７のとおりになる。

１７は増幅器で、信号Ｓ７を増幅して、波形整形回路１
８に供給する。

波形整形回路１８の出力信号は信号Ｓ８となる３３ １
９は単安定マルチバイブレータで、信号Ｓ８のパルスの
立下りによって動作し、信号Ｓ８のＴ１より長く、Ｔ２
よりも短いパルス幅のパルス信号Ｓ９を出力する。

２０は論理積回路で、信号Ｓ８，Ｓ９論理積をとり、温
度情報のみをもった信号Ｓ１０を抜き出す。

２１は単女定マルチバイブレータで、信号Ｓ１０のパル
スの立上りで動作し、Ｔ３よりもパルス幅の短いパルス
信号Ｓ１１を出力する。

２２は論理積回路で、信号Ｓｌｌ，Ｓ８の論理積をとっ
て、温度情報を含まないパルス信号Ｓ１２を抜き出す。

２３はフリツプフロツプ回路で、そのセット端子には信
号Ｓ１０が印加され、リセット端子には信号Ｓ１２が印
加されて、その出力端子より信号Ｓ１３が取り出される
。

信号Ｓ１３のパルス幅は温度に関係なく、ただ送波部の
落下速度によるドツプラ効果のみによって変化する。

２４はフリツプフロツプ回路で、信号Ｓ１２のパルスの
立下りでトグル動作をし、二つの出力端子よりそれぞれ
信号Ｓ１４，Ｓ１５を出力する。

これらの信号は水温情報とドツプラ効果の両方をパルス
幅に含む。

送波信号のパルス間隔Ｔｔｉが、水温ｔを独立変数とす
る既知の関数Ｆ１の関数形で表わされるとすれば、それ
は次式で表わせる。

受波信号Ｓ１３，Ｓ１４，Ｓ１５より、送波信号のＴｔ
ｉ，Ｔｄに相当するものが求められ、これらをＴｔｉ’
，Ｔｄ’とすれば、ドツプラ効果よりである。

ここで送波部の落下速度、音速とも、Ｔｄ時間内でのＹ
均とＴｔｉ 時間内での平均とが大きく違わないと仮定
すれば、 である。

（２）式におけるＴｄは送波部を製造するときに水晶発
振周波数を調整せずとも、送波部を受波器に対して静止
しているときの計測値から求まる。

（２）式よりドツブラ効果を次式のようにＴｄとＴｄ
ｉ’より求めることができる。

てあるから、受彼パルス間隔Ｔｔｉ’よりドツプラ効果
を除いた値Ｔｔｉが求まり、これと（１）式より正確な
水温が求まる。

音速Ｖｉは水温と深度の関数であり、深度をΣＤｉとす
れば、 である。

上式によって■１が求まれば、（６）式より送彼部の落
Ｆ速度１が求まる。

■１が求まれば深度Ｄｅ ｐ ｔ ｈは で求まる。

ここで、αは最初のパルス信号が放射されるまでに送波
部が落下するわずかな距離である。

以上の操作を繰り返すことによって、水温の垂直分布を
正確に求めることができる。

ただし、最初の音速Ｖｉを算出するときには、深さΣＤ
ｉを０としてＶｉを求め、この値からｉを算出し、これ
を（９）式に代入してΣＤｉを求めてＶｉの値を（８）
式から求めて、最初の音速とする。

具体的に、送波部の落下速度を約２ｍ／秒とし、深度情
報を１％の誤差で求めるために、落下速度の検出を１％
の誤差で求める装置についての設計例を示す。

超音波搬送周波数を１００ＫＨｚとする。（２）式より
ドップラー効果によるパルス間隔Ｔｄの変化分ΔＴｄｉ
の速度に関する微分値は で表わされ、Ｖｉ ＝＝ １ ５ ０ ｏｍ／秒、て−
１二２ ｍ ／秒とすれば となる。

Ｔｄを受彼したときのＴｄ’ｉの値は搬送波周波数の有
無で決められるから、Ｔｄ測定の誤差は搬送波の１波分
と見なし、１．０Ｘ１０’秒であるとすれば、Ｔｄ測定
による落下速度検出の分解能に値する時間はこれより犬
であるという条件より、 となり、若干の余裕を見込んで とずる３３温度情報を含むパルス幅Ｔｔｉを次式で求め
られるように構成する。

各パルス幅を第２図のＴＩ）ｔｔＴｐ２とすれば、が成
立するとき、温度情報を含む信号と含まない信号の区別
ができ、Ｔｐ１−・Ｔｐ２＝１−：ＩＪ秒とすれば、（
１３）式より となる。

ここで（Ｔｔｉ）ｍｉｎは測定温度範囲の最小値の水温
のときのＴｔｉの値で、測定範囲を０〜４０℃とすれば
、（１４）式よりＴｏ＝８４４ミリ秒となり、若干の余
裕を見込んでＴｏ− １秒にとる。

故に２０℃の水温の所では２ｍに１回測定をすることに
なる。

以上に述べた本発明の効果を列記する。

（１）超音波方式で情報伝送しているので、有線方式に
比べて取り扱い易い。

また水流や測定船の移動による影響を受けにくい。

（２）深度情報を求めるのに圧力センサを用いていない
ので、小形で安価な装置となる。

（３）落下速度を検出して深度を算出しているので、測
定精度がよい。

（４）送波部の水晶発振回路の安定度だけを高くすれば
よく、発撮周波数の調整をする必要性はない。

（５） ドツブラ効果をパルス間隔より測定している
ので、パルス間隔を長くすれば、小さな変化を精度よく
測定でき、深度情報の精度がよい。

（６）信号を放射する時間はパルス幅を短くすれば短く
できるので、実効消費電力を少なくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の垂直水温分布計測方法の一実施例にお
ける送波部の構成を示すブロック図、第２図は送波各部
の信号のタイミングチャート、第３図は同じく受波部の
構成を示すブロック図、第４図は受波各部の信号のタイ
ミングチャートである。 １・・・・・・サーミスタ、２，３，４．５・・・・・
・単安定マルチバイブレータ、６・・・・・・論理和回
路、７・・・・・・水晶発振回路、８・・・・・・分周
回路、９・・・・・・論理積回路、１０・・・・・・カ
ウント回路、１１・・・・・・単安定マルチバイブレー
タ、１２・・・・・・論理積回路、１３・・・・・・論
理和回路、１４・・・・・・電力増幅器、１５・・・・
・・超音波発生器、１６・・・・・・超音波受波器、１
７・・・・・・増幅器、１８・・・・・・波形整形回路
、１９・・・・・・単な定マルチバイブレータ、２０・
・・・・・論理積回路、２１・・・・・・単安定マルチ
バイブレータ、２２・・・・・・論理積回路、２３，２
４・・・・・・フリツプフロツプ回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 水温によってパルス間隔の変化する第１パルス信号
   と、上記パルス信号より一定時間間隔をもつ第２パルス
   信号とを、外部の媒質へ超音波放射する物体を水中で自
   由落下させ、上記超音波パルス信号を水面直下で受波し
   、第１、第２パルス信号間隔の変化分よりドツプラ効果
   を求め、第１パルス信号のパルス間隔よりドツプラ効果
   を差し引いたパルス間隔より水温を求め、水温とドツプ
   ラ効果より物体の落下速度を求めることを特徴とする垂
   直水温分布計測方法。 ２ 第１パルス信号と第２パルス信号の区別にパルス幅
   あるいはパルス波形あるいはパルスレベルの違いを用い
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の垂直
   水温分布計測方法１，３ 外部媒質へ超音波パルス信号
   を放射する物体を受波器に対して静止させたときの第１
   、第２パルスの間隔値を計測の標準値とすることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載の垂直水温分布計測
   方法。