(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波送受信装置の設置角度を常に一定に保持するための超音波送受信ユニットであって、
被測定流体に対して垂直方向に立てられる基準棒と、
その基準棒の下端側に位置して前記基準棒の軸方向に対して直角に設けた支軸と、
その支軸に対して回動可能に軸支される測定器固定体と、
その測定器固定体に固定される超音波送受信装置と、
その超音波送受信装置および前記測定器固定体に対する被測定流体による揺動を減少するように前記超音波送受信装置および前記測定器固定体を覆うカバー部材と、
を備えた超音波送受信ユニット。
【請求項２】
前記の支軸は、三次元ジョイントである請求項１に記載の超音波送受信ユニット。
【請求項３】
前記の基準棒における測定器固定体と反対側には、水準器を設置する水準器設置面を備えた請求項１または請求項２のいずれかに記載の超音波送受信ユニット。
【請求項４】
前記カバー部材は、被測定流体による揺動力を吸収可能な連結部材によって保持される構成である請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波送受信ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、開渠などの水路の被測定断面における流体の流量を計測する時に使用される超音波送受信ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
水力発電所の取水流量の管理は、当該発電所の設備の適切な運用に重要である。水力発電は水の流量によって発電機出力が変化するとともに下流への影響もあるため、その流量を適切に制御する必要がある。例えば、小型の水力発電では河川から分岐された水路にて取水し、その水路を流れる取水流量を管理している。なお、河川から分岐された水路は、「開水路」または「開渠」と称している。
【０００３】
開渠にて流量計測する場合は、開渠の所定断面の流速分布を取得し、その流速分布データに対して開渠の断面積を乗算することによる。上記の流速計測には、一般的にプロペラ流速計などが用いられている。
【０００４】
また、超音波を利用した流量計測方法を採用する場合もある。その場合の流量計測は、超音波流速分布計（ＡＤＣＰ）の機能を用いる。
超音波を利用して水路の流量を測定する方法の例としては、特許文献１の超音波式流量計測方法が開示されている。この特許文献１では、水路内を、中央部と、その中央部より壁面または底面よりの周辺部と、壁面または底面に近い外縁部とに分ける。その上で、水路の周辺部の流速分布を超音波で測定する。  すなわち、超音波を用いてドップラー法または相互相関法を利用して水の流速を計測する。  水路の中央部の流速分布は、前記測定した周辺部の流速分布を用いて補間することによって水路全体の流量を求める、という技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１９０７７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
さて、超音波のドップラー流速分布法を利用して開渠の流量計測を実施する場合は、超音波を送受信する超音波センサを精度良く設置することが重要となる。特許文献１に開示されている技術では、流量測定装置はでは複数の超音波センサが棹状のセンサ治具に取り付けられている。その棹状のセンサ治具を上方から垂直方向に水中へ降ろし、水中へ没した超音波センサによって超音波を送受信して流速を計測し流量を測定する。
【０００７】
上記の特許文献１における棹状のセンサ治具と同様の構成にて開渠の流量測定を実施する場合、図７に示すように例えば支柱や単管などの棹状のセンサ治具８０が開渠７０へ橋渡した仮設足場などの基準棒固定架台７２へ角度計８１などを用いて取り付けられる。ところが、棹状のセンサ治具８０が流体の流れの影響を受けて曲がることや、棹状のセンサ治具８０における設置角度の誤差などによって、水中における超音波センサ５０から発振される超音波５１の入射角度が設計と異なってしまう。その結果、流速計測の誤差が生じてしまう。
その解決方法としては、棹状のセンサ治具８０に取り付けた超音波センサ５０に対して三次元角度計を取り付けることができる。しかし、その三次元角度計を用いることは、設置費用が高価になることや、超音波センサ５０に接続するケーブルなどの配線が難しいなどの理由で、簡便な方法が望まれる。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、被測定流体の流量を計測する時に使用される超音波送受信装置における設置角度を常に一定に保持し、被測定流体の流量を安定して測定することを可能とする超音波送受信ユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（第一の発明）
本願における第一の発明は、超音波送受信装置の設置角度を常に一定に保持するための超音波送受信ユニット(10)に係る。
すなわち、被測定流体に対して垂直方向に立てられる基準棒(20)と、  その基準棒(20)の下端側に位置して前記基準棒(20)の軸方向に対して直角に設けた支軸(30)と、  その支軸(30)に対して回動可能に軸支される測定器固定体(40)と、  その測定器固定体(40)に固定される超音波送受信装置(50)と、  その超音波送受信装置(50)および前記測定器固定体(40) に対する被測定流体による揺動を減少するように前記超音波送受信装置(50)および前記測定器固定体(40)を覆うカバー部材(60)と、を備える。    
【００１０】
（用語説明）
「被測定流体」とは、例えば開渠などの水路を流れる流体の流量を測定する前記流体をいう。
【００１１】
（作用）
基準棒(20)は、被測定流体が流れる水路の上方に設けた例えば基準棒固定架台へ固定することによって垂直方向に立てられる。その基準棒(20)の下端側は被測定流体へ没する。基準棒(20)の下端側に位置して支軸にて回動自在に設けた測定器固定体(40)は、被測定流体へ没すると、浮力を受けることによって水平状態を保持することとなる。すなわち、基準棒(20)に対して被測定流体によるたわみが設置角度の変化を生じさせても、測定器固定体(40)へ固定した超音波送受信装置(50)における垂直方向に対する設置角度は、常に一定に保持されることになる。その結果、超音波送受信装置(50)による超音波の送受信が安定する。
それに加えて、カバー部材(60)によって、超音波送受信装置(50)および前記測定器固定体(40)に対する被測定流体による揺動が減少することから、前記超音波の送受信が安定する。
したがって、被測定流体の流量を安定して測定することが可能となる
【００１２】
（第一の発明のバリエーション１）
第一の発明においては、前記の支軸(30)は、三次元ジョイント（たとえば、ユニバーサルジョイント）を採用してもよい。
【００１３】
（作用）
測定器固定体(40)は前記三次元ジョイントによって三次元方向に回動可能に軸支されるので、三次元方向の揺動力に対しても水中にて常に水平状態が保持される。
【００１４】
（第一の発明のバリエーション２）
第一の発明は、前記基準棒(20)における測定器固定体(40)と反対側には、水準器(11)を設置する水準器設置面(21)を備えることとしてもよい。
【００１５】
（作用）
水準器設置面(21)へ水準器(11)を設置することによって、基準棒(20)は垂直方向に対する設置角度をほぼ確実に垂直に立てることができる。  それによって、基準棒(20)が垂直方向に対して傾いている場合に比べて、測定器固定体(40)が常に水平状態を保持する点で容易になる。
【００１６】
（第一の発明のバリエーション３）
第一の発明においては、  前記カバー部材(60)は、被測定流体による揺動力を吸収可能な連結部材(61)によって保持される構成を採用してもよい。
【００１７】
（作用）
カバー部材(60)が被測定流体によって揺動するとしても、連結部材(61)がその揺動力を吸収するので、カバー部材(60)の内部の被測定流体の動きが小さくなる。  それによって、基準棒(20)に対する揺動動力が減少する。
【発明の効果】
【００１８】
前記した第一の発明によれば、被測定流体の流量を計測する時に使用される超音波送受信装置における設置角度を常に一定に保持し、被測定流体の流量を安定して測定することを可能とする超音波送受信ユニットを提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態の超音波送受信ユニットを用いて開渠を流れる被測定流体を測定するときの概略的な斜視図である。
【図２】図１において被測定流体を測定するときの開渠の断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態の超音波送受信ユニットを用いて開渠を流れる被測定流体を測定するときの概略的な斜視図である。
【図４】図３において被測定流体を測定するときの開渠の断面図である。
【図５】本発明の別の実施形態の超音波送受信ユニットを用いて開渠を流れる被測定流体を測定するときの概略的な斜視図である。
【図６】図５において被測定流体を測定するときの開渠の断面図である。
【図７】従来の超音波送受信装置を用いて開渠を流れる被測定流体を測定するときの開渠の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る超音波送受信ユニット１０は、図１および図２に示すように、基準棒２０と支軸３０と測定器固定体４０と超音波送受信装置５０とカバー部材６０とを備えている。なお、本実施形態では開渠を流れる被測定流体である水の流量を測定する際に用いられることを例とする。
【００２１】
前記基準棒２０は、その上部を開渠７０へ橋渡しした仮設足場などの基準棒固定架台７２へ垂直方向に立てて取り付ける。前記基準棒２０の下端側は水中へ没する。
【００２２】
前記支軸３０は、水中へ没する前記基準棒２０の下端側へ設けられるとともに、前記基準棒２０の軸方向に対して直角な方向に設けられる。
【００２３】
前記測定器固定体４０は、超音波測定器である超音波送受信装置５０を取り付け固定する部材であり、前記支軸３０に対して回動可能に軸支される。それにより、水中へ没した測定器固定体４０はそれ自体の浮力によって必然的に常に水平状態を保持する。したがって、たとえ上記の基準棒２０に対してたわみなどの設置角度変化が生じても、測定器固定体４０へ固定した超音波送受信装置５０における垂直方向に対する設置角度は常に一定に保持されることになる。その結果、超音波送受信装置５０による超音波５１の送受信が安定するので、開渠７０の被測定断面における水の流量を安定して測定できる。
【００２４】
前記超音波送受信装置５０は、超音波発振部と超音波受信部とを含んで構成される。  前記超音波発振部は、圧電素子で構成され、圧電素子から例えば開渠７０の底面に向かって超音波パルス波５１を発振する。また、前記超音波受信部は、前記超音波発振部から発振した超音波パルス波５１が開渠７０の被測定断面の壁面７１に当たって反射した反射波を受信する。
【００２５】
カバー部材６０は、水の流れによる揺動を減少するために前記超音波送受信装置５０および前記測定器固定体４０の周囲を覆うものである。カバー部材６０は、例えば図１に示すように水の流れによる抵抗を減少させる船形形状のボックス６０ａとすることができる。また、カバー部材６０の内部は開渠７０を流れる水にて満たすこととする。しかも、カバー部材６０の材質はプラスチック製とすることが望ましい。その理由は、プラスチック系の材質は超音波５１の透過性が良いことと、水と音響インピーダンスが比較的近いからである。
【００２６】
カバー部材６０は、水の流れによる揺動力を吸収可能な連結部材６１によって前記基準棒２０あるいは基準棒固定架台７２へ保持されることが望ましい。  例えば図１に示すように船形形状のボックス６０ａであるカバー部材６０の上部が、その四か所でワイヤ６２からなる連結部材６１によって吊り上げられ、前記ワイヤ６２を基準棒２０のほぼ中間位置へ固定具６３にて固定することができる。
あるいは、図３に示すように船形形状のボックス６０ａであるカバー部材６０の上部が、その四か所でワイヤ６２からなる連結部材６１によって吊り上げられ、前記ワイヤ６２を基準棒固定架台７２へ固定することができる。
【００２７】
カバー部材６０が船形形状であることによって、水の流れによる揺動を減少させることができる。また、たとえカバー部材６０が水の流れによって揺動するとしても、その揺動が上記のワイヤ６２によって吸収されるのでカバー部材６０の内部の水の動きが小さくなる。それによって、前記基準棒２０に対する揺動力がさらに減少するので、基準棒２０自体に対する水の流れによる影響が小さくなる。
【００２８】
なお、カバー部材６０は、上記の船形形状のボックス６０ａに限定されず、他の形状でも良い。例えば、図５に示すように球形形状のボックス６０ｂあるいは碗形形状のボックスとすることができる。なお、カバー部材６０が球形形状のボックス６０ｂであっても、開渠７０を流れる水が球形形状のボックス６０ｂの内部へ入り込むための流水入口が、前記球形形状のボックス６０ｂの中間部あるいは上部に設けられている。碗形形状のボックスは上部が開口しているので、水が前記開口から碗形形状のボックスの内部へ流れ込むことになる。
球形形状のボックス６０ｂが上記の船形形状のボックス６０ａの場合と異なる点は、水の流れの抵抗をどの程度受けるかであり、その作用は船形形状のボックス６０ａの場合とほぼ同様である。
【００２９】
上記の連結部材６１によって水の流れによる揺動力を吸収可能とする方法は、上記のワイヤ６２に限定されず、他の方法であってよい。  例えば、図６に示すように、カバー部材６０が球形形状のボックス６０ｂの場合、球形形状の上部が例えば弾性部材６４を介して前記基準棒２０へ固定することができる。その場合、カバー部材６０の揺動は前記弾性部材６４によって吸収される。
【００３０】
上記の構成によって、上記の基準棒２０が垂直方向に対して傾いて立てられたり、あるいはその設置角度の誤差が生じたり、基準棒２０自体が開渠７０の水の流れの影響を受けて曲がりやたわみが生じたりしても、測定器固定体４０が常に水平状態を保持する。その結果、超音波送受信装置５０の設置角度は常に一定に保持されるので、角度補正等の修正が不要となる。超音波送受信装置５０による超音波５１の送受信が安定するので、被測定流体の流量を安定して測定することが可能となる。
また、カバー部材６０の内部が開渠７０を流れる水にて満たされることによって、超音波５１がカバー部材６０を通過する時の屈折角の影響が無くなる。
以上のことから、本実施形態の超音波送受信ユニット１０は、従来のように角度計などを用いる必要が無くなる。さらに、超音波送受信装置５０の設置誤差を考慮する必要も無くなる。
【００３１】
前記の支軸３０は、三次元ジョイントを採用しても良い。三次元ジョイントとしては、例えばユニバーサルジョイントがある。その結果、測定器固定体４０は前記三次元ジョイントによって三次元方向に回動可能に軸支されるので、三次元方向の揺動力に対しても水中にて常に水平状態が保持される。
【００３２】
前記基準棒２０には、水準器１１を設置する水準器設置面２１が前記測定器固定体４０とは反対側へ備えられることが望ましい。例えば図１に示すように、前記水準器設置面２１を備えた水準器取り付け用プレート２２が基準棒２０の上端付近へ固定されている。なお、前記水準器設置面２１は基準棒２０の軸方向に対して直角な面である。
上記の水準器設置面２１へ水準器１１を設置することによって、基準棒２０は垂直方向に対する設置角度をほぼ確実に垂直に立てて、前述した仮設足場などの基準棒固定架台７２へ固定することができる。  その結果、基準棒２０が垂直方向に対して傾いている場合に比べて、測定器固定体４０が常に水平状態を保持する点で容易になる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、超音波流量計の製造業、河川などの水量を測量するための測量サービス業、河川の浚渫工事や開渠の修繕の必要性を判断するためのデータ測定やデータ収集を行う情報サービス業などにおいて、利用可能性を有する。
【符号の説明】
【００３４】
１０  超音波送受信ユニット   １１  水準器
２０  基準棒   ２１  水準器設置面
２２  水準器取り付け用プレート
３０  支軸
４０  測定器固定体
５０  超音波送受信装置(超音波センサ)   ５１  超音波
６０  カバー部材   ６０ａ  船形形状のボックス
６０ｂ  球形形状のボックス   ６１  連結部材
６２  ワイヤ   ６３  固定具
６４  弾性部材
７０  開渠   ７１  壁面
７２  基準棒固定架台
８０  センサ治具   ８１  角度計
【図１】
0005645127.tif 000002
【図２】
0005645127.tif 000003
【図３】
0005645127.tif 000004
【図４】
0005645127.tif 000005
【図５】
0005645127.tif 000006
【図６】
0005645127.tif 000007
【図７】
0005645127.tif 000008