(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を用いて流体の流速分布を計測する流速分布計測方法であって、
前記超音波を反射させる反射部材を前記流体中の該超音波のサイドローブの発射方向に設置し、
前記流体中に前記超音波を発射し、
前記発射された超音波のサイドローブが前記反射部材に反射して生じる反射波を受信し、
前記超音波の発射位置から前記反射部材までの距離と、前記超音波を発射してから前記反射波を受信するまでの時間とを用いて前記流体の音速値を算出し、
前記音速値と、前記超音波のメインローブが前記流体中の反射体に反射して生じる反射波とを用いて該流体の流速分布を求めることを特徴とする流速分布計測方法。
【請求項２】
前記反射波の受信により得られる信号を所定時間重畳し、
前記重畳により増幅する信号を定在波として検出し、
前記定在波を前記所定時間で除算した値を、前記流体の流速分布を求める際に用いる信号から減算して該信号を補正し、
前記補正された信号を用いて前記流体の流速分布を求めることを特徴とする請求項１に記載の流速分布計測方法。
【請求項３】
前記求められた流速分布の波形のうち、流速が下降する負のピークを、該ピーク前後の値を除外した近似関数により補完して、該求められた流速分布を補正することを特徴とする請求項１に記載の流速分布計測方法。
【請求項４】
超音波を用いて流体の流速分布を計測する流速分布計測装置であって、
前記流体中に前記超音波を発射する超音波発射部と、
前記流体中の前記超音波のサイドローブの発射方向に設けられ該超音波を反射させる反射部材と、
前記超音波が前記反射部材または前記流体中の反射体に反射して生じる反射波を受信する反射波受信部と、
前記超音波発射部から前記反射部材までの距離と、該超音波発射部が前記超音波を発射してから前記反射波受信部が前記反射波を受信するまでの時間とを用いて前記流体の音速値を算出する音速算出部と、
前記音速値と、前記超音波のメインローブが前記流体中の反射体に反射して生じる反射波とを用いて該流体の流速分布を求める流速分布計算部と、
を備えることを特徴とする流速分布計測装置。
【請求項５】
前記反射部材の形状は、板状または棒状であることを特徴とする請求項４に記載の流速分布計測装置。
【請求項６】
前記反射部材は、前記流体の流れ方向に沿う姿勢で設置されていることを特徴とする請求項５に記載の流速分布計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いて水路の流速分布を測定する流速分布計測方法および流速分布計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水力発電は、水の流量によって発電機出力が変化する。水の流量はダムや取水堰を設けて制御する場合もあるが、小型の水力発電においては自然河川から分岐させて取水する場合もある。この場合において分岐された水路のうち上部に覆いがないものは開水路または開渠と称されており、数ｍのものから数十ｍのものまで様々な幅のものがある。このような水路の流量は、水力発電における河川計画や管理上最も重要な観測データの一つである。
【０００３】
大規模な水路の流量を計測する上では、水位や水路の断面形状、流速分布を取得する必要があるが、このうち時空間変化が顕著な流速分布の計測が最も重要となる。流速分布を横断面全体で計測するには、多くの一級河川の川幅が数十から数百メートル以上であることを考慮すると、効率よく流速計測を行うことが必須である。
【０００４】
流速分布計測装置としては、超音波センサを用いた計測装置およびその手法がよく知られている。この計測装置は、水中に発振した超音波が水中の浮遊物や気泡に反射して戻ってきた反射波を受信して流速分布を計測するものであり、主にドップラー法と相互相関法が利用されている。特にドップラー法を用いた超音波流速分布流量計は、導管が不透明であっても、また流体自体が不透明であっても導管内の液体の流速分布や流量を測定することができるため、懸濁液や水銀、ナトリウム等の液体金属等の様々な不透明流体の流速測定に適応できるという利点を有している（例えば特許文献１）。また市場では、ドップラー法を利用した流量測定装置（ＡＤＣＰ：Acoustic Doppler Current Profiler）が広く提供され、利用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−９７７４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の超音波式流速分布流量測定装置に限らず、超音波を利用した流速分布計測装置では、計測に際して、液体の音速（音速値）を入力する必要がある。音速値を算出する方法としては、例えば液体の温度や圧力等の条件と理科年表などの文献値を用いて算出する方法がある。しかし、この方法で求められる音速値はあくまでも理論値であるため、この値が必ずしも測定環境に合致した値であるとは限らなかった。特に、測定対象が河川水や海水であると、状況の変化が著しいためこのような理論値を適用できない場合のほうが多かった。
【０００７】
そこで、他の算出方法として、音速計測用のセンサや計測ユニットを用いる方法がある。これによれば、発射位置からセンサまでの距離が予めわかっているため、流体に発射された超音波がセンサまで戻ってくる時間から音速値を算出することができる。したがって、測定環境に即した値を得ることができる。しかしながら、この方法では、音速計測用のセンサや計測ユニットを用いるためコストが増してしまったり、計測システムの複雑化を招いてしまったりするという課題が生じていた。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑み、簡略な構成であっても測定環境に即した音速値を算出でき、より高精度の流速分布を計測することが可能な流速分布計測方法および流速分布計測装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明にかかる流速分布計測方法の代表的な構成は、超音波を用いて流体の流速分布を計測する流速分布計測方法であって、超音波を反射させる反射部材を流体中の超音波のサイドローブの発射方向に設置し、流体中に超音波を発射し、発射された超音波のサイドローブが反射部材に反射して生じる反射波を受信し、超音波の発射位置から反射部材までの距離と、超音波を発射してから反射波を受信するまでの時間とを用いて流体の音速値を算出し、音速値と、超音波のメインローブが流体中の反射体に反射して生じる反射波とを用いて流体の流速分布を求めることを特徴とする。
【００１０】
上記構成によれば、超音波の副極であるサイドローブが反射部材に反射して生じる反射波によって音速値を算出し、超音波の主極であるメインローブが泡などの反射体に反射して生じる反射波から流速を算出する際にその音速値を用いることができる。これにより、簡略な構成であっても測定環境に即した音速値を算出でき、より高精度の流速分布を計測することが可能である。
【００１１】
上記の反射波の受信により得られる信号を所定時間重畳し、重畳により増幅する信号を定在波として検出し、定在波を所定時間で除算した値を、流体の流速分布を求める際に用いる信号から減算して信号を補正し、補正された信号を用いて流体の流速分布を求めるとよい。
【００１２】
上述した超音波のサイドローブが反射部材に反射して生じる反射波による信号は、音速値の算出には有用であるが、流速分布の算出においてはノイズとなってしまう。しかし、上記構成によれば、定在波を用いた補正により、流体の流速分布を求める際に用いる信号からサイドローブの反射波による信号を除去し、補正された信号を用いて流体の流速分布を求めることができる。
【００１３】
上記の求められた流速分布の波形のうち、流速が下降する負のピークを、ピーク前後の値を除外した近似関数により補完して、求められた流速分布を補正するとよい。これにより、信号の重畳等を行うことなく流速分布を補正することができる。したがって、データ処理に要する時間および負荷を削減しつつ、データの精度を高めることが可能となる。
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明にかかる流速分布計測装置の代表的な構成は、超音波を用いて流体の流速分布を計測する流速分布計測装置であって、流体中に超音波を発射する超音波発射部と、流体中の超音波のサイドローブの発射方向に設けられ超音波を反射させる反射部材と、超音波が反射部材または流体中の反射体に反射して生じる反射波を受信する反射波受信部と、超音波発射部から反射部材までの距離と、超音波発射部が超音波を発射してから反射波受信部が反射波を受信するまでの時間とを用いて流体の音速値を算出する音速算出部と、音速値と、超音波のメインローブが流体中の反射体に反射して生じる反射波とを用いて流体の流速分布を求める流速分布計算部と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
上述した流速分布計測方法における技術的思想に対応する構成要素やその説明は、当該流速分布計測装置にも適用可能である。
【００１６】
上記の反射部材の形状は、板状または棒状であるとよい。かかる構成であれば超音波が反射しやすく、また流体の流れを阻害しないため流体の流速分布の計測を妨げることがない。
【００１７】
上記の反射部材は、流体の流れ方向に沿う姿勢で設置されているとよい。これにより、流体の流れ方向と反射部材の設置方向が同一となるため、反射部材は流体の流れの支障とならない。したがって、流体の流れが安定し、より正確な流速分布を求めることが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、簡略な構成であっても測定環境に即した音速値を算出でき、より高精度の流速分布を計測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態にかかる流速分布計測装置の概略構成を示す図である。
【図２】本実施形態にかかる流速分布計測装置の機能構成を示す機能ブロック図である。
【図３】反射波の詳細について説明する模式図である
【図４】反射波の信号の波形図および計測した流速分布の波形図である。
【図５】本実施形態にかかる流速分布計測方法について説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００２１】
本実施形態にかかる流速分布計測方法および流速分布計測装置は、水路における流体の流速分布を計測するものであり、代表例として水力発電の取水用の水路における流速分布を計測するものである。以下の説明では、理解を容易にするために、本実施形態にかかる流速分布計測装置について詳述した後に、かかる流速分布計測装置を用いた流速分布計測方法について詳細に説明する。
【００２２】
（流速分布計測装置）
図１は、本実施形態にかかる流速分布計測装置の概略構成を示す図である。図１に示すように、当該流速分布計測装置による流速分布計測の測定対象となる水路１００には、流体１０４が白抜矢印の方向に流れており、流体１０４には、超音波２６０の反射体となる気泡１０６が含まれている。これにより、超音波２６０が気泡１０６に反射して生じた反射波を受信して流体１０４の流速分布を計測することが可能となる。なお、気泡１０６は、例えば流速分布計測装置２００より上流側において水路１００内に不図示の気泡発生装置を配置することにより発生させることができる。
【００２３】
また図１に示すように、本実施形態にかかる流速分布計測装置（以下、計測装置２００と称する）は、主に、測定端末２１０と、探触子２５０と、反射部材２７０とから構成され、測定端末２１０と探触子２５０はケーブル２０２を介して有線で接続されている。また探触子２５０と反射部材２７０は共に固定冶具２７２に固定されている。
【００２４】
図２は、本実施形態にかかる流速分布計測装置２００の機能構成を示すブロック図である。図２に示す測定端末２１０は、制御部２１２と、記憶部２２４と、表示部２２６と、入力部２２８とを含んで構成され、後述する探触子２５０による超音波２６０の入力を制御し、且つかかる探触子２５０により受信された反射波を計算処理する。
【００２５】
制御部２１２は、中央処理装置（ＣＰＵ）を含む半導体集積回路により計測装置２００全体を管理および制御する。また本実施形態では、制御部２１２は、パルサー２１４、レシーバ２１６、Ａ／Ｄ変換部２１８、音速算出部２２０、流速分布計算部２２２としても機能する。
【００２６】
パルサー２１４は、ケーブル２０２を介して超音波発射部２５２に超音波の波形に応じた電気信号（電流）を送信する。電気信号は超音波発射部２５２を駆動させるための所定の周波数および間隔で送信される。レシーバ２１６は、反射波受信部２５４が超音波２６０の反射波を受けて生じたアナログ信号を増幅する。Ａ／Ｄ変換部２１８は、レシーバ２１６によって増幅されたアナログ信号としての反射波をデジタル信号に変換する。
【００２７】
音速算出部２２０は、超音波発射部２５２から反射部材２７０までの距離と、超音波発射部２５２が超音波２６０を発射してから反射波受信部２５４が反射波を受信するまでの時間とを用いて流体の音速値を算出する。なお、音速算出部２２０による音速値の算出の詳細については後に詳述する。
【００２８】
流速分布計算部２２２は、音速算出部２２０により算出された音速値と、超音波２６０のメインローブ２６０ａが流体１０４中の気泡１０６（流体中の反射体）に反射して生じる反射波とを用いて流速分布を求める。また本実施形態では、流速分布計算部２２２は、反射波の受信により得られる信号、すなわち流速分布を求める際に用いる信号や流速分布の補正も行う。なお、流速分布計算部２２２による流速分布の算出および補正については後述する。
【００２９】
記憶部２２４は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、不揮発性ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等で構成され、制御部２１２で処理されるプログラムを記憶する。表示部２２６は、液晶ディスプレイ、ＥＬ（Electro Luminescence）、ＰＤＰ(Plasma Display Panel)等で構成され、記憶部２２４に記憶されたアプリケーションのＧＵＩ（Graphical User Interface）を表示することができる。
【００３０】
入力部２２８は、キーボード、十字キー、ジョイスティック等の複数のキー（スイッチ）やマウス等から構成され、ユーザの操作入力を受け付ける。例えば、入力部２２８により、超音波発射部２５２から反射部材２７０までの距離を入力することができる。
【００３１】
探触子２５０は、固定冶具２７２に取り付けられ、流体１０４の流れに対して傾斜した状態で先端が流体１０４中に配置され、流体１０４中への超音波２６０の発射、および流体１０４中を透過した反射波の受信を行う。かかる探触子２５０は、超音波発射部２５２と、反射波受信部２５４とを含んで構成される。
【００３２】
超音波発射部２５２は流体１０４中に超音波２６０を発射する。再度図１を参照すると、超音波発射部２５２から発射された超音波２６０は、主にメインローブ２６０ａとサイドローブ２６０ｂとなって流体１０４内を透過する。詳細には、メインローブ２６０ａ（主極とも称される）とは、超音波２６０を発射する探触子２５０の中心軸方向に指向性を有し、探触子２５０から実線矢印方向に直進する強い波である。サイドローブ２６０ｂ（副極とも称される）とは、メインローブ２６０ａの直進方向と一定の角度θをなした外側方向、すなわちメインローブ２６０ａを包囲するように、円錐状に探触子２５０から破線矢印方向に放射される弱い波である。
【００３３】
なおサイドローブ２６０ｂは、図では両側に１つずつのみ描いているが、実際には異なる角度に複数のサイドローブが生じる。複数のサイドローブは、角度θが開くほどに強度が弱くなる。本実施形態では複数のサイドローブのいずれを用いてもよい。強度を考慮すればメインローブ２６０ａに近いものが好ましいが、あまり近いとメインローブ２６０ａから発射された超音波の乱反射が反射部材２７０に反射してしまうおそれもある。そこで、探触子２５０の固定冶具２７２に対する傾斜角度と反射部材２７０の大きさ（寸法）と、サイドローブの強度とを勘案して、利用するサイドローブ２６０ｂを適宜選択することができる。
【００３４】
反射波受信部２５４は、超音波２６０が反射部材２７０または気泡１０６（流体中の反射体）に反射して生じる反射波を受信する。詳細については後述するが、本実施形態では、反射波受信部２５４が受信した、メインローブ２６０ａの反射波を用いて流速分布を計測し、サイドローブ２６０ｂの反射波を用いて音速値を算出する。
【００３５】
反射部材２７０（図１参照）は、固定冶具２７２に固定された状態で、流体中の超音波２６０のサイドローブ２６０ｂの発射方向に設けられ超音波２６０を反射させる部材である。かかる反射部材２７０は、サイドローブ２６０ｂの通過領域内且つメインローブ２６０ａの通過領域外となる位置に設けられる。これにより、メインローブ２６０ａを反射させずに、サイドローブ２６０ｂのみを確実に反射させ音速値の算出を好適に行うことが可能となる。
【００３６】
上記の反射部材２７０の形状は、板状または棒状であるとよい。これにより、サイドローブ２６０ｂ（超音波２６０）の反射が容易となる。また流体１０４の流れを阻害しないため流速分布の計測を妨げることがない。また反射部材２７０は流体１０４の流れ方向に沿う姿勢で設置されているとよい。これにより、流体１０４の流れ方向と反射部材２７０の設置方向が同一となるため、反射部材２７０が流体１０４の流れを阻害することがない。したがって、流体１０４の流れが安定し、より正確な流速分布を求めることが可能となる。
【００３７】
（音速算出部２２０および流速分布計算部２２２による処理）
次に、音速算出部２２０による音速値の算出、並びに流速分布計算部２２２による流速分布の算出および補正について説明する。図３は、反射波の詳細について説明する模式図である。上述したように、探触子２５０の超音波発射部２５２から流体１０４中に超音波２６０が発射されると、超音波２６０はメインローブ２６０ａおよびサイドローブ２６０ｂとなって流体１０４内を透過する（図１参照）。
【００３８】
すると、図３（ａ）に示すように、メインローブ２６０ａの一部は、探触子２５０先端近傍の気泡１０６に反射し、メインローブ２６０ａの反射波２６２ａ（以下、単に反射波２６２ａと称する）が生じる。またサイドローブ２６０ｂは、反射部材２７０に反射し、サイドローブ２６０ｂの反射波２６２ｂ（以下、単に反射波２６２ｂと称する）が生じる。そして、これらの反射波２６２ａおよび２６２ｂは、探触子２５０に到達し、反射波受信部２５４に受信される。
【００３９】
このとき、超音波２６０の発射位置すなわち探触子２５０から反射部材２７０までの距離Ｌは、既知であり、略一定である。したがって、反射波受信部２５４が反射波２６２ｂを受信することにより、超音波２６０を発射してからかかる反射波２６２ｂを受信するまでの時間を求められる。これにより、探触子２５０から反射部材２７０までの距離Ｌ、および超音波２６０を発射してから反射波２６２ｂを受信するまでの時間を用いて音速値を算出することができる。
【００４０】
上記のようにして算出される音速値は、測定対象となる流体１０４中に実際に超音波２６０を発射して得られるので、流体１０４の水温や水質のような環境影響を含んだ値、すなわち測定環境に即した値である。このため、かかる音速値を用いれば、流体の流速分布を高い精度で計測することが可能となる。
【００４１】
図３（ａ）において気泡１０６に反射せず流体１０４中を更に直進したメインローブ２６０ａは、図３（ｂ）に示すように水路１００中を流れる気泡１０６に反射し、反射波２６２ａが生じる。この反射波２６２ａも探触子２５０に到達し、反射波受信部２５４に受信される。そして、図３（ａ）および（ｂ）のメインローブ２６０ａの反射波２６２ａを所定時間継続して受信することにより、流速分布計算部２２２は、反射波２６２ａと、音速算出部２２０により算出された音速値とを用いて流速分布を求めることができる。
【００４２】
図３（ｂ）においても気泡１０６に反射せずに流体１０４中を更に直進したメインローブ２６０ａは、図３（ｃ）に示すように水路１００の底面１００ａに反射し、反射波２６２ｃが生じる。この反射波２６２ｃも探触子２５０に到達し、反射波受信部２５４に受信される。
【００４３】
図４は、反射波の信号の波形図および計測した流速分布の波形図である。図３（ａ）〜（ｃ）に示した反射波２６２ａ、２６２ｂおよび２６２ｃを反射波受信部２５４が受信すると、反射波の信号の波形は図４（ａ）に示すような形状となる。詳細には、反射波受信部２５４では、まずメインローブ２６０ａが探触子２５０近傍の気泡１０６に反射した反射波２６２ａが受信され、弱い信号が検出される。その後、反射波受信部２５４では、かかる反射波２６２ａと共に、サイドローブ２６０ｂが反射部材２７０に反射した反射波２６２ｂが受信され、強い信号が検出される。
【００４４】
この強い信号、すなわちサイドローブ２６０ｂが反射部材２７０に反射して生じる反射波２６２ｂによる信号は、音速値の算出には極めて有用である。しかし、反射波２６２ｂによる信号が強すぎるため、反射波２６２ｂと同じ時間帯に受信された反射波２６２ａの信号は、反射波２６２ｂによる信号に埋もれてしまう。すなわち、反射波２６２ｂによる信号は流速分布の算出においてはノイズとなってしまう。
【００４５】
そして、図４（ａ）のような波形の反射波の信号を用いて流速分布を算出すると、流速分布の波形は図４（ｂ）に示すような形状となり、反射部材２７０が設置されている距離における流速部分には負のピーク２６４が生じる。このため、その部分の流速を正確に把握できなくなってしまう。
【００４６】
そこで、本実施形態では、流速分布計算部２２２は、反射波の受信により得られる信号、すなわち流速分布を求める際に用いる信号を補正する。かかる補正では、まず流速分布計算部２２２は、反射波の受信により得られる一連の信号を所定時間（所定回数）重畳し、重畳した回数で除算する。このとき、メインローブ２６０ａによる反射波２６２ａはランダムであるため、ゼロに近づく。一方、上述した超音波２６０の発射位置（探触子２５０）から反射部材２７０までの距離は固定であるため、サイドローブ２６０ｂの反射波２６２ｂによる信号は常に同じ強度で検出される。このため図４（ｃ）に示すように、信号を所定時間重畳すると反射波２６２ｂによる信号は波形が明瞭となり、略一定の定在波２６６として検出することができる。
【００４７】
次に、流速分布計算部２２２は、定在波２６６を流体の流速分布を求める際に用いる信号（図４（ａ）参照）から減算する。これにより、流体の流速分布を求める際に用いる信号の波形は、図４（ａ）のような形状から図４（ｄ）に示すような形状となり、反射波２６２ｂによる信号からなるノイズが除去され、信号が補正される。これにより、反射部材２７０と同じ距離にある位置の気泡からの反射波２６２ａも検知することが可能となる。
【００４８】
そして、補正された信号および音速値を用いて流速分布を算出すると、流速分布の波形は図４（ｅ）に示す形状となり、負のピーク２６４が除去される。したがって、上記のように定在波２６６を用いて信号の補正を行うことにより、サイドローブ２６０ｂの反射波２６２ｂによる影響を排除し、より精度の高い流速分布を計測することが可能となる。
【００４９】
以上、流速分布を求める際に用いる信号を補正し、補正された信号を用いた流速分布の算出について説明した。この補正方法であれば流速分布の精度を高めることができるものの、信号を重畳する時間を要するため計測時間および演算処理の負荷が少なからず増してしまう。そこで、信号を重畳することなく流速分布を補正可能な補正方法を次に説明する。
【００５０】
次の補正方法では、まず流速分布計算部２２２は、反射波２６２ａ、２６２ｂおよび２６２ｃの受信により得られる信号（図４（ａ）参照）を用いて流速分布を算出する。これにより算出される流速分布の波形は、既に述べたように図４（ｂ）に示す形状である。次に、流速分布計算部２２２は、求めた流速分布の波形のうち、流速が下降する負のピーク２６４を、ピーク２６４前後の値を除外した近似関数により補完する。これにより、流速分布が補正され、その波形は図４（ｅ）に示す形状となる。したがって、信号の重畳等を行うことなく流速分布を補正することができ、データ処理に要する時間および負荷を削減しつつ、データの精度を高めることが可能となる。
【００５１】
（流速分布計測方法）
続いて、上述した流速分布計測装置２００を用いた流速分布計測方法について詳細に説明する。図５は、本実施形態にかかる流速分布計測方法について説明するフローチャートである。本実施形態にかかる流速分布計測方法では、まず探触子２５０および反射部材２７０を固定した固定冶具２７２を水路１００に挿入し、探触子２５０および反射部材２７０を流体１０４中に設置する（Ｓ３０２）。このとき、反射部材２７０が超音波２６０のサイドローブ２６０ｂの発射方向に位置するように配置する。また探触子２５０および反射部材２７０の設置をより安定させるために、固定冶具２７２を、水路１００の上方に設けられた橋梁等の構造物（不図示）に固定することが好ましい。
【００５２】
そして、記憶部２２４は、入力部２２８を介して入力された探触子２５０（超音波２６０の発射位置）から反射部材２７０までの距離Ｌを記憶する（Ｓ３０４）。なお、距離Ｌはあらかじめ定められた設定値であって、距離Ｌの値に従って固定冶具２７２に反射部材２７０が取り付けられる。ただし計算精度を向上させるために、反射部材２７０を固定した後に探触子２５０と反射部材２７０の距離を計測して、現況の値を入力してもよい。またＳ３０４の処理は必ずしもＳ３０２の後に行われなくてもよく、少なくとも後述するＳ３１０より前に行われればよい。
【００５３】
次に、パルサー２１４は超音波発射部２５２に電気信号を送信し、超音波発射部２５２は流体１０４中に超音波２６０を発射する（Ｓ３０６）。反射波受信部２５４は、発射された超音波が気泡１０６、反射部材２７０または水路１００の底面１００ａに反射して生じた反射波２６２ａ、２６２ｂおよび２６２ｃを受信する（Ｓ３０８）。そして、超音波２６０の発射および反射波の受信が所定回数すなわち所定時間に到達するまで、超音波発射部２５２は超音波２６０の発射を、反射波受信部２５４は反射波の受信を繰り返す（Ｓ３１０）。
【００５４】
なお、上記の所定回数については、ユーザが任意に定めることができるが、後述するＳ３１６において反射波の信号を重畳する場合には、所定回数を多め、例えば１００回程度に設定することが好ましい。反射波の信号を重畳しない場合には、所定回数を少なめ、例えば１０回程度に設定すれば十分である。重畳しない場合にも複数回の計測を行うのは、算出した流速の平均を取ることによって計測精度を向上させ信頼性を高めるためである。
【００５５】
超音波２６０の発射および反射波の受信が所定回数に到達したら（Ｓ３１０のＹＥＳ）、音速算出部２２０は、超音波発射部２５２が超音波２６０を発射してから、超音波２６０のサイドローブ２６０ｂが反射部材２７０に反射して生じた反射波２６２ｂを反射波受信部２５４が受信するまでの時間と、距離Ｌとを用いて、音速値を算出する（Ｓ３１２）。なお、超音波の発射から反射波の受信までの時間については、所定回数の測定値のうち、いずれかの任意の１回の測定値を参照すればよい。
【００５６】
次に、反射波の受信により得られる信号（流速分布を求める際に用いる信号）を補正する場合（Ｓ３１４のＹＥＳ）、流速分布計算部２２２は、所定回数の反射波の受信により得られた信号を所定回数重畳して除算し（Ｓ３１６）、重畳により増幅した信号を定在波２６６として検出する（Ｓ３１８）。そして、流速分布計算部２２２は、定在波２６６を減算して信号を補正する（Ｓ３２０）。その後、流速分布計算部２２２は、補正された信号および音速算出部２２０が算出した音速値を用いて流速分布を求める（Ｓ３２２）。これにより、当該流速分布計測方法における処理が終了する。
【００５７】
反射波の受信により得られる信号を補正しない場合（Ｓ３１４のＮＯ）、流速分布計算部２２２は、音速値と、反射波２６０ａの受信により得られた信号をそのまま用いて流速分布を求める（Ｓ３２４）。そして、求めた流速分布を補正する場合（Ｓ３２６のＹＥＳ）、流速分布計算部２２２は、求めた流速分布の波形のうち、流速が下降する負のピーク２６４を、その前後の値を除外した近似関数により補完し、補正された流速分布を求める（Ｓ３２８）。これにより、当該流速分布計測方法における処理が終了する。なお、求めた流速分布を全く補正しない場合（Ｓ３２６のＮＯ）は、そのまま処理を終了する。
【００５８】
上記説明したように、本実施形態にかかる流速分布計測装置２００および流速分布計測方法では、サイドローブ２６０ｂが反射部材２７０に反射して生じる反射波２６２ｂによって音速値を算出し、メインローブ２６０ａが気泡１０６などの反射体に反射して生じる反射波２６２ａから流速を算出する際にその音速値を用いることができる。そして、音速値を算出するために追加される部材が反射部材２７０のみであるため、装置の簡略な構成を維持し、コストの増大およびシステムの複雑化を回避することができる。したがって、簡略な構成であっても測定環境に即した音速値を算出でき、より高精度の流速分布を計測することが可能である。
【００５９】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００６０】
なお、本明細書の流速分布計測方法における各手順は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、部分的に並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、超音波を用いて水路の流速分布を測定する流速分布計測方法および流速分布計測装置として利用することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１００…水路、１００ａ…底面、１０４…流体、１０６…気泡、２００…計測装置、２０２…ケーブル、２１０…測定端末、２１２…制御部、２１４…パルサー、２１６…レシーバ、２１８…Ａ／Ｄ変換部、２２０…音速算出部、２２２…流速分布計算部、２２４…記憶部、２２６…表示部、２２８…入力部、２５０…探触子、２５２…超音波発射部、２５４…反射波受信部、２６０…超音波、２６０ａ…メインローブ、２６０ｂ…サイドローブ、２６２ａ・２６２ｂ・２６２ｃ…反射波、２６４…負のピーク、２６６…定在波、２７０…反射部材、２７２…固定冶具
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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