(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
開水路の両岸に配置された超音波センサの対を少なくとも一対備え、これらの超音波センサ間で発信及び受信される超音波の伝播時間に基づいて超音波伝播経路における流速を測定し、この測定値に基づいて開水路の流量を算出する超音波式流量測定装置であって、
１個の超音波センサと、この超音波センサを水深方向に昇降させる昇降機構とをそれぞれ有し、超音波センサの対向方向が平面視で開水路の流れの方向に対して角度をなすように開水路の両岸に配置された少なくとも一対のセンサ昇降ユニットと、
上記各センサ昇降ユニットの超音波センサが同一水深位置となるように、各センサ昇降ユニットの昇降機構を制御する制御部と
を備え、
各センサ昇降ユニットの超音波センサを複数の測定水深位置に移動させ、各測定水深位置における超音波センサ間の超音波の伝播時間を測定し、これらの測定値に基づいて開水路の流量を算出し、かつ
上記複数の測定水深位置の間隔を、最大水深に応じて下記の式に基づいて設定している
ことを特徴とする超音波式流量測定装置。
【数１】
0003567127.tif 000002
【請求項２】
開水路の両岸に配置された超音波センサの対を少なくとも一対備え、これらの超音波センサ間で発信及び受信される超音波の伝播時間に基づいて超音波伝播経路における流速を測定し、この測定値に基づいて開水路の流量を算出する超音波式流量測定装置であって、
１個の超音波センサと、この超音波センサを水深方向に昇降させる昇降機構とをそれぞれ有し、超音波センサの対向方向が平面視で開水路の流れの方向に対して角度をなすように開水路の両岸に配置された少なくとも一対のセンサ昇降ユニットと、
上記各センサ昇降ユニットの超音波センサが同一水深位置となるように、各センサ昇降ユニットの昇降機構を制御する制御部と
を備え、
各センサ昇降ユニットの超音波センサを開水路の最大水深に応じて設定した複数の測定水深位置に移動させ、各測定水深位置における超音波センサ間の超音波の伝播時間を測定し、これらの測定値に基づいて開水路の流量を算出する超音波式流量測定装置において、
上記超音波センサが発信する超音波の多重反射のレベルの変化に基づいて水面位置を検出し、
上記センサ昇降ユニットのうちの少なくとも一方に対応して開水路の底に配置された反射部材を備え、この反射部材による超音波センサが発信した超音波の反射に基づいて開水路の底を検出し、
上記検出された水面位置及び開水路の底に基づいて、上記最大水深を推定することを特徴とする、超音波式流量測定装置。
【請求項３】
上記超音波センサが発信する超音波の多重反射のレベルの変化に基づいて水面位置を検出し、
上記昇降機構の降下限度から開水路の底を検出し、
上記検出された水面位置及び開水路の底に基づいて、上記最大水深を推定することを特徴とする、請求項１に記載の超音波式流量測定装置。
【請求項４】
水位計をさらに備え、上記最大水深をこの水位計により測定することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の超音波式流量測定装置。
【請求項５】
上記一対のセンサ昇降ユニットのうちの一方の超音波センサがレスポンダ型であることを特徴する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超音波式流量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、河川、運河、用水路等の開水路の流量を測定するための超音波式流量測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
河川、運河、用水路等（開水路）の流量測定装置として、超音波の発信及び受信が可能な超音波センサを利用するもの（超音波式流量測定装置）が知られている。この超音波式流量測定装置は、水中の音速が流速の影響を受け、流速の超音波伝播方向の成分が正の場合には音速が速くなり、負の場合には音速が遅くなる性質を利用している。
【０００３】
この種の超音波式流量測定装置としては、例えば、開水路の両岸の同一水深位置に互いに対向するように配置された一対又は二対の超音波センサを備えるものが知られている。この流量測定装置では、流速に起因する一方の岸側の超音波センサから他の岸側の超音波センサまでの超音波到達時間の変化又は周波数の変化を測定し、これらの変化から超音波伝播経路における平均的な流速を推定し、この推定値に基づいて開水路の総流量を推定する。
【０００４】
また、開水路の両岸の複数水深位置に互いに対向するように複数対の超音波センサを配置し、上記超音波到達時間又は周波数の変化から開水路の総流量を推定する超音波式流量測定装置が知られている。
【０００５】
さらに、その他の流量測定装置としては、浮遊物等の散乱体によって反射された超音波のドップラー効果による周波数変化を探知することにより流速を測定する方法（ＡＤＣＰ：Ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｄｏｐｐｌｅｒ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｐｒｏｆｉｌｅ）を応用した流量測定装置や、電波流速計による水面流速測定値から流量を推定する流量測定装置が知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の流量測定装置には、以下の問題がある。
まず、上記同一水深位置に超音波センサの対を備える超音波式流量測定装置の場合、単一の水深位置での流速から推定式に基づいて流量の流量を推定することになる。すなわち、この流量測定装置では、水深方向の流速分布がないもとのして開水路の流量を推定するため、大きな誤差が発生する可能性がある。これに対して、水位に応じて流量の推定式を使い分け又は変化させる方法が知られている。しかし、この場合でも実用上十分な流量測定精度を得ることは困難である。
【０００７】
次に、上記複数水深位置に配置された複数対の超音波センサを備える流量測定装置の場合、十分な流量測定精度を得るためには流速測定を行う水深位置を増やす必要がある。そのため、多数の超音波センサを設置する必要があり、装置が高価となる。また、超音波センサが水位低下により水上に位置して使用不可能となる場合があり、超音波センサの有効利用が図れない。さらに、水位の変動により超音波センサの水深位置が変化し、流量測定精度が変動することなる。
【０００８】
また、上記ＡＤＣＰを応用した流量測定装置の場合は、開水路に掛け渡した橋梁状構造物を設け、この橋梁状構造物上を複数の超音波センサを備える移動体を移動させる必要がある。従って、この流量測定装置は大規模な設備が必要であると共に、定常的ないしは連続的な流量測定に適さず、流量測定の必要性が特に高い洪水時の測定にも適さない。
【０００９】
さらに、上記電波流速計を利用する流量測定装置では、十分な測定精度を得ることができない。特に、この流量測定装置は、原理上風の影響を強く受けるため強風時には精度がさらに低下する。
【００１０】
本発明は、上記従来の流量測定装置における問題を解決するためになされたものであり、実用上十分な流量測定精度が得られ、かつ、定常的な流量測定に適した比較的安価な超音波式流量測定装置を提供することを課題としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１の発明は、開水路の両岸に配置された超音波センサの対を少なくとも一対備え、これらの超音波センサ間で発信及び受信される超音波の伝播時間に基づいて超音波伝播経路における流速を測定し、この測定値に基づいて開水路の流量を算出する超音波式流量測定装置であって、１個の超音波センサと、この超音波センサを水深方向に昇降させる昇降機構とをそれぞれ有し、超音波センサの対向方向が平面視で開水路の流れの方向に対して角度をなすように開水路の両岸に配置された少なくとも一対のセンサ昇降ユニットと、上記各センサ昇降ユニットの超音波センサが同一水深位置となるように、各センサ昇降ユニットの昇降機構を制御する制御部とを備えることを特徴とする超音波式流量測定装置を提供するものである。
【００１２】
具体的には、各センサ昇降ユニットの超音波センサを複数の測定水深位置に移動させ、各測定水深位置における超音波センサ間の超音波の伝播時間を測定し、これらの測定値に基づいて開水路の流量を算出する。
【００１３】
本発明の超音波式流量測定装置では、超音波センサを水深方向に昇降させる昇降機構とを有する少なくとも一対のセンサ昇降ユニットと、各センサ昇降ユニットの超音波センサが同一水深位置となるように昇降機構を制御する制御部とを備えているため、開水路の横断面における流量分布を測定することができ、高精度での流量測定が可能である。また、複数水深位置に複数対の超音波センサを設ける必要がなく、構造が簡易で比較的安価であると共に、保守も容易である。さらに、開水路に架渡される橋梁状構造物等の大規模な設備は不要であるため、洪水発生時を含めた定常的、連続的な流量測定が可能である。
【００１４】
特に、第１の発明では、開水路の最大水深に応じて上記複数の測定水深位置を設定する。
【００１５】
具体的には、第１の発明では、下記の式に基づいて測定水深位置の間隔を算出する。
【００１６】
【数２】
Δｄ’＝（ｎ×Δｄ＋δ）／ｎ’
ただし、
Ｄ：最大水深
ｄ０：水面側不感帯の幅
ｄ１：底側不感帯の幅
Δｄ’：測定水深の間隔
Δｄ：超音波センサが発信する超音波の水深方向の広がりの幅
ｎ：ｎ＝ｉｎｔ（（Ｄ−（ｄ０＋ｄ１））／Δｄ）
ｉｎｔ（Ａ）は実数Ａの小数点以下切り捨て後の整数値
ｎ’：ｎ’＝ｎ＋１
δ：δ＝Ｄ−（ｄ０＋ｄ１＋ｎ×Δｄ）
【００１７】
この場合、上記水面側及び底側不感帯を除いた開水路の全横断面での流量分布を測定することができるため、より高精度の流量測定が可能である。
【００２０】
第２の発明は、開水路の両岸に配置された超音波センサの対を少なくとも一対備え、これらの超音波センサ間で発信及び受信される超音波の伝播時間に基づいて超音波伝播経路における流速を測定し、この測定値に基づいて開水路の流量を算出する超音波式流量測定装置であって、１個の超音波センサと、この超音波センサを水深方向に昇降させる昇降機構とをそれぞれ有し、超音波センサの対向方向が平面視で開水路の流れの方向に対して角度をなすように開水路の両岸に配置された少なくとも一対のセンサ昇降ユニットと、上記各センサ昇降ユニットの超音波センサが同一水深位置となるように、各センサ昇降ユニットの昇降機構を制御する制御部とを備え、各センサ昇降ユニットの超音波センサを開水路の最大水深に応じて設定した複数の測定水深位置に移動させ、各測定水深位置における超音波センサ間の超音波の伝播時間を測定し、これらの測定値に基づいて開水路の流量を算出する超音波式流量測定装置において、上記超音波センサが発信する超音波の多重反射のレベルの変化に基づいて水面位置を検出し、上記センサ昇降ユニットのうちの少なくとも一方に対応して開水路の底に配置された反射部材を備え、この反射部材による超音波センサが発信した超音波の反射に基づいて開水路の底を検出し、上記検出された水面位置及び開水路の底に基づいて、上記最大水深を推定することを特徴とする、超音波式流量測定装置を提供する。
【００２１】
一方、上記第１の発明では、上記超音波センサが発信する超音波の多重反射のレベルの変化に基づいて水面位置を検出し、上記昇降機構の降下限度から開水路の底を検出し、上記検出された水面位置及び開水路の底に基づいて、上記最大水深を推定してもよい。
【００２２】
さらに、最大水深をこの水位計により測定してもよい。なお、水位尺の目盛を目視で読取ることにより最大水深を確認してもよい。
【００２３】
上記一対のセンサ昇降ユニットのうちの一方の超音波センサをレスポンダ型としてもよい。この場合、開水路を横断して制御用のケーブルを敷設する必要がなく、開水路の幅が広い場合に適している。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、図面に示す本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１から図３に示す本発明の実施形態である超音波式流量測定装置は、それぞれ１個の超音波センサ２Ａ，２Ｂを備え、開水路１の両岸に配置された一対のセンサ昇降ユニット３Ａ，３Ｂ、中央監視室４、及び反射板５Ａ，５Ｂを備えている。
【００２５】
上記センサ昇降ユニット３Ａ，３Ｂは同一構造であるので、一方のセンサ昇降ユニット３Ａについて以下に説明する。
図２及び図３に示すように、センサ昇降ユニット３Ａは、超音波センサ２Ａを水深方向に昇降させるための昇降機構６及び現場制御盤７を備えている。
【００２６】
開水路１の岸から水面Ｓ上に突出した保守用デッキ９が設置されており、この保守用デッキ９に昇降機構６が設けられている。昇降機構６は、保守用デッキ９の先端部分を貫通して垂直方向に延びる昇降ロッド１０を備えている。この昇降ロッド１０は断面楕円形の筒状体であり、その下端側に超音波センサ２Ａが収容されている。
【００２７】
図４に示すように、超音波センサ２Ａは、超音波発生用の圧電素子等を備えるセンサ本体２ａと、このセンサ本体２ａが収容された筐体２ｂとを備えている。また、超音波センサ２Ａは平面視で開水路１の流れ方向Ｆに対して所定の角度（本実施形態では４５°）をなすように配置されている。そのため、図１に示すように、各センサ昇降ユニット３Ａ，３Ｂの超音波センサ２Ａ，２Ｂは、これらの対向方向（超音波伝播経路Ｕの方向）が平面視で開水路１の流れ方向Ｆに対して所定角度をなしている。超音波センサ２Ａに接続されたケーブル５０は、昇降ロッド１０の内部に挿通され、昇降ロッド１０の上端側からケーブルリール１１を介して後述する現場制御盤７の変換器７ａに接続されている。
【００２８】
上記昇降ロッド１０には、その軸線方向に延びる一対のラック１２が設けられており、これらのラック１２は保守用デッキ９上にある一対のピニオン１３（図２には一方のピニオンのみを図示している。）に噛合している。また、保守用デッキ９上には電動モータである昇降用モータ１４が配設されており、ピニオン１３は駆動軸１６及びギア（図示せず）を含む動力伝達機構を介して昇降用モータ１４に連結されている。そのため、昇降用モータ１４が回転すると、その回転方向に応じて昇降ロッド１０が上昇又は降下し、上記昇降ロッド１０の下端部に収容された超音波センサ２Ａの水深位置が変化する。昇降用モータ１４はケーブル５１により後述する現場制御盤７の駆動・制御装置７ｂに接続されている。
【００２９】
なお、上記保守用デッキ９には重量バランスを確保するためのカウンタウエート１７と、補強用のフレーム１８が設けられている。
【００３０】
上記現場制御盤７は、超音波センサ２Ａの制御、すなわち超音波の発信及び受信を制御するための変換器７ａを備えている。また、現場制御盤７は、後述する中央制御盤４ａとケーブル５２により接続された駆動・制御装置（制御部）７ｂを備えている。この現場制御盤７は、昇降機構６の駆動及び制御、中央制御盤４ａとの通信等を行う。さらに、現場制御盤７は、上記変換器７ａ及び駆動・制御装置７ｂに電力を供給する電源装置７ｂを備えている。
【００３１】
一方、上記中央監視室４は、中央制御盤４ａと、この中央制御盤４ａをオペレータが操作するためのパーソナルコンピュータ（ＰＣ）４ｂとを備えている。中央制御盤４ａは、後述する流量測定のモードに応じて、昇降用モータ１４の駆動及び停止や、超音波センサ２Ａ，２Ｂに対する指令を各センサ昇降ユニット３Ａ，３Ｂの現場制御盤７に対して出力する。また、各センサ昇降ユニット３Ａ，３Ｂの超音波センサ２Ａ，２Ｂにおける超音波の発信及び受信を示す信号が、変換器７ａ及び駆動・制御装置７ｂを介してこの中央制御盤４ａに入力される。さらに、駆動・制御装置７ｂから中央制御盤４ａに超音波センサ２Ａ，２Ｂの位置（高さ）を示す信号が入力される。
【００３２】
反射板５Ａ，５Ｂは開水路１の底１ａに設置されており、図２に示すように、昇降ロッド１０の下端が開水路１の底１ａに到達したとき（超音波センサ２Ａ，２Ｂが最も深い水深位置にあるとき）、超音波センサ２Ａ，２Ｂと対向する。また、反射板５Ａ，５Ｂは、超音波センサ２Ａ，２Ｂとの間に超音波の伝播を妨げる物体が存在しないように、超音波センサ２Ａ，２Ｂに接近して配置されている。
【００３３】
次に、この超音波式流量測定装置の動作について説明する。
上記のように各センサ昇降ユニット３Ａ，３Ｂの昇降ロッド１０は昇降用モータ１４により駆動されて昇降し、昇降用モータ１４は現場制御盤７の駆動・制御装置７ｂにより制御される。また、各センサ昇降ユニット３Ａ，３Ｂの駆動・制御装置７ｂは中央制御盤４ａからの指令により昇降ロッド１０を昇降させる。中央制御盤４ａ及び駆動・駆動制御装置７ａは、図５に概略的に示すように、センサ昇降ユニット３Ａ，３Ｂの超音波センサ２Ａ，２Ｂが同一水深位置を維持するように、昇降ロッド１０を昇降させる。
【００３４】
本実施形態の超音波式流量測定装置は、２種類のモード（第１及び第２モード）での流量測定を行うことができる。これらのモードのうち、第１モードは、開水路１のほぼ全横断面での流速分布を測定し、それに基づいて流量を算出するモードである。一方、第２モードは、開水路の最大水深に応じて単一又は２箇所の測定水深位置で流速を測定し、それに基づいて流量を算出するモードである。なお、モードの選択は中央監視室４のＰＣ４ｂの操作により行うことができる。
【００３５】
まず、図６のフローチャートを参照して第１モードについて説明する。
ステップＳ１において、水位検出（最大水深Ｄの検出）を実行する。この水位検出では、水面Ｓより上方の空気中に位置している状態から開水路１の底１ａに向けて超音波センサ２Ａ，２Ｂを降下させる。また、超音波センサ２Ａ，２Ｂが超音波を連続的に発信し、その超音波を発信した超音波センサ２Ａ，２Ｂ自体が受信する超音波に基づいて、水面位置及び開水路１の底１ａを検出する。以下、水面Ｓ及び開水路１の底１ａの検出について超音波センサ２Ａを例に説明する。
【００３６】
水面位置の検出は、センサ本体２ａが発生した超音波の筐体２ｂによる多重反射を利用して行う。図７及び図８に示すように、超音波センサ２Ａが超音波（パルス２０）を発信すると、超音波発信後の極めて短い時間帯Δｔにおいて筐体２ｂ内（厳密にはセンサ本体２ａと筐体２ｂとの間）で多重反射が発生し、この多重反射によるパルス群２１が超音波センサ２Ａにより測定される。
【００３７】
超音波センサ２Ａが図５において位置Ｂにある場合、すなわち超音波センサ２Ａが水中にある場合には、図７に示すように多重反射によるパルス群２１の検出信号レベルは非常に低い。これは、水中における超音波の透過率が高いため、多重反射のレベルも極めて小さくなることによる。一方、超音波センサ２Ａが図５において位置Ａにある場合、すなわち超音波センサ２Ａが空気中にある場合には、図８に示すように多重反射によるパルス群２１の検出信号レベルは、超音波センサ２Ａが水中にある場合と比較して高くなる。これは水中とは異なり空気中の場合にはほぼ全反射となることによる。
【００３８】
本実施形態では、判定基準レベルＶｃを設定し、パルス群２１の検出信号レベルがこの判定基準レベルＶｃを上回っている場合に超音波センサ２Ａが空気中にあると判断し、下回っている場合に超音波センサ２Ａが水中にあると判断する。また、検出信号レベルが判定基準レベルＶｃを上回る状態から下回る状態に変化したときの超音波センサ２Ａの位置が水面位置であると判断する。これらの判断は中央制御盤４ａにより実行される。
【００３９】
一方、開水路１の底１ａの検出は、反射板５Ａにより反射された超音波を検出することにより行う。すなわち、超音波センサ２Ａが反射板５Ａと対向する位置（図５の位置Ｃ）まで降下すると、図９に示すように、超音波センサ２Ａが発信した超音波（パルス２３）が、反射板５Ｂにより反射され、この反射された超音波のパルス２４が超音波センサ２Ａにより測定される。本実施形態では、このパルス２４が測定されたときに、超音波センサ２Ａが開水路１の底１ａに到達したと判断する。この判断は中央制御盤４ａにより実行される。また、中央制御盤４ａは、上記のように検出された水面位置及び開水路１の底１ａの位置から水位（最大水深Ｄ）を算出する。
【００４０】
なお、開水路１の底１ａを検出のために超音波を反射させる部材は、上記反射板に限定されず、降下限度に到達した超音波センサ２Ａ，２Ｂと対向し、かつ、超音波センサ２Ａ，２Ｂに比較的接近して配置された部材であればよい。
【００４１】
次に、図６のステップＳ２において測定水位位置Ｐを決定する。
超音波センサ２Ａ，２Ｂが発信する超音波の水深方向の広がりΔｄは、使用する超音波センサにより装置依存的に決まる。また、水面Ｓ側には超音波の乱反射の影響で流速測定が不可能な水深方向の領域（水面側不感帯）がある。同様に、開水路１の底１ａ側にも超音波の乱反射の影響で流速測定が不可能な水深方向の領域（底側不感帯）がある。これら水面側不感帯の幅ｄ０及び底側不感帯の幅ｄ１も予め定まる。
【００４２】
ここで、上記Δｄを測定水位位置Ｐ間の間隔（超音波センサ２Ａ，２Ｂの移動間隔）とした場合に、以下の等式が成立すれば、開水路１の全横断面について流速を測定することができる。
【００４３】
【数３】
Ｄ＝ｄ０＋ｎ×Δｄ＋ｄ１
ただし
ｎ：整数
【００４４】
しかし、通常は、上記Δｄを測定水位位置Ｐ間の間隔に設定すると、図５に示すように幅δだけ流速が測定できない水深方向の領域が存在することになる。すなわち、一般に、最大水深Ｄ、測定水位位置間の間隔Δｄ、不感帯の幅ｄ０，ｄ１との間には以下の関係が成立する。
【００４５】
【数４】
Ｄ＝ｄ０＋ｎ×Δｄ＋ｄ１＋δ
【００４６】
本実施形態では以下の式に基づいて、図５に示すように上記流速が測定できない水深方向の領域が存在しない測定水位位置Ｐの間隔Δｄ’を設定する。
【００４７】
【数５】
Δｄ’＝（ｎ×Δｄ＋δ）／ｎ’
ただし、
Ｄ：最大水深
ｄ０：水面側不感帯の幅
ｄ１：底側不感帯の幅
Δｄ’：測定水深の間隔
Δｄ：超音波センサが発信する超音波の水深方向の広がりの幅
ｎ：ｎ＝ｉｎｔ（（Ｄ−（ｄ０＋ｄ１））／Δｄ）
ｉｎｔ（Ａ）は実数Ａの小数点以下切り捨て後の整数値
ｎ’：ｎ’＝ｎ＋１
δ：δ＝Ｄ−（ｄ０＋ｄ１＋ｎ×Δｄ）
【００４８】
測定水位位置Ｐは、この間隔Δｄ’と水面側不感帯の幅ｄ０及び底側不感帯の幅ｄ１により決まる。
【００４９】
次に、図６のステップＳ３において、上記のように決定した各測定水位位置Ｐにおける流速を測定する。具体的には、図１０に示すように、一方の超音波センサ２Ａが超音波のパルス２５を発信し、これと同時に他方の超音波センサ２Ｂが計時を開始する。そして、超音波センサ２Ａがこのパルス２５を検出するまでの時間（超音波伝播時間Ｔｕ）と、流速が０である場合の超音波の伝播時間Ｔｕ’を比較し、両者の差ΔＴｕに基づいて超音波センサ２Ａ，２Ｂ間の超音波伝播経路における流速を算出する。この流速の算出は中央制御盤４ａが行う。なお、各測定水位位置における超音波伝播時間Ｔｕは、一方の超音波センサ２Ａから他方の超音波センサ２Ａに到達するまでの超音波の周波数変化により間接的に測定してもよい。
【００５０】
駆動・制御装置７ｂは、超音波センサ２Ａ，２Ｂを測定水位位置Ｐまで移動して停止させ、上記流速の測定を実行する。一つの測定水位位置Ｐでの流速の測定が終了すると、駆動・制御装置７ｂは、次の測定水位位置Ｐまで超音波センサ２Ａ，２Ｂを移動して停止させ流速の測定を実行する。すべての測定水位位置Ｐにおいて流速が測定されるまで、以上の動作が繰り返される。
【００５１】
すべての測定水位位置Ｐにおいて流速を測定した後、図６のステップＳ４において中央制御盤４ａが流量を算出する。具体的には、上記各測定水位位置Ｐについて測定した流速を開水路１の横断面で面積積分することにより、開水路１の流量が算出される。
【００５２】
この第１モードでは、上記水面側及び底側不感帯を除いた開水路１の全横断面での流速分布を測定し、それに基づいて流量を算出しているため、高精度の流量測定が可能である。
【００５３】
次に、図１１のフローチャートを参照して第２モードについて説明する。なお、この第２モードの場合には、測定水位位置の個数を１個とするか２個とするかが予めＰＣ４Ｂから中央制御盤４ａに入力される。
まず、ステップＳ１１におい最大水深Ｄを検出する。この最大水深Ｄの検出方法は、上記第１モードの場合（図６のステップＳ１）と同様である。
【００５４】
次に、ステップＳ１２において、測定水位位置の個数が１個であればステップＳ１３に移行し、２個であればステップＳ１４に移行する。図５に示すように、開水路１における流速は水深方向に分布を有している。通常、この流速分布は、水面Ｓの近傍及び底１ａの近傍で流速が低く、水面Ｓから水深方向に最大水深Ｄの６０％程度の位置における流速が平均流速に近い。そのため、上記測定水位位置Ｐが１か所であるステップＳ１３では、最大水深Ｄの６０％の位置を測定水位位置Ｐに設定する。一方、測定水位位置が２か所であるステップＳ１４では、最大水深Ｄの２０％及び８０％の位置を測定水位位置Ｐに設定する。
【００５５】
次に、ステップＳ１５において、上記ステップＳ１３，Ｓ１４で設定された測定水位位置Ｐにおける流速を測定し、測定した流速に基づいてステップＳ１６で流量を算出する。
【００５６】
この第２モードの場合も、開水路１の最大水深Ｄに応じて測定水位位置Ｐを設定しているため、高精度で流量測定を行うことができる。
【００５７】
以上のように、本実施形態の超音波式流量測定装置は、超音波センサ２Ａ，２Ｂを水深方向に昇降させることができるため、最大水深に応じた最適な測定水深位置での流速測定が可能であり、高精度での流量測定が可能である。また、複数水深位置に複数対の超音波センサを設ける必要がないため、構造が簡易で比較的安価であると共に、保守も容易である。さらに、開水路に架渡される橋梁状構造物等の大規模な設備は不要であるため、洪水発生時を含めた定常的、連続的な流量測定を行うことができる。
【００５８】
最大水深Ｄの検出方法は、上記のものに限定されない。例えば、水面位置を上記超音波センサ２Ａ，２Ｂが発信する超音波の多重反射のレベル変化に基づいて検出する一方、昇降ロッド１０の降下限度を駆動・制御装置７ｂにより検出してもよい。この場合、昇降ロッド１０の降下限度が開水路１の底１ａに対応する。
【００５９】
また、水位計３０（図２参照）により最大水深を測定し、この測定値を中央制御盤４ａに入力するようにしてもよい。
【００６０】
さらに、水位尺の目盛を目視で読取ることにより最大水深を確認し、読取った値をＰＣ４Ｂにより中央制御盤４ａに入力してもよい。
【００６１】
上記実施形態の超音波式流量測定装置は、開水路１の両岸にセンサ昇降ユニット３Ａ，３Ｂを一対備えるシングルパス型であるが、本発明は図１２に示すように開水路の両岸に二対のセンサ昇降ユニット３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄを備えるクロスパス型の超音波式流量測定装置にも適用可能である。なお、この例では、二対のセンサ昇降ユニット３Ａ〜３Ｃは、超音波センサ２Ａの対向方向（超音波伝播経路Ｕ）が互いに直交するように配置されている。
【００６２】
上記実施形態において、一対のセンサ昇降ユニット３Ａ，３Ｂのうち中央監視室４とは反対側の岸に設置されたセンサ昇降ユニット３Ｂの超音波センサ２Ｂとしてレスポンダ型の超音波センサを使用し、かつ、変換器７ａをレスポンダに置換してもよい。このレスポンダ型の超音波センサが、相手方の超音波センサ（センサ昇降ユニット３Ａの超音波センサ２Ａ）からトリガー信号として発信された超音波を受信すると、超音波を自動的に発信し又はレスポンダから駆動・制御装置７ｂに対して種々の指令が送信される。このレスポンダ型の超音波センサを使用すれば、開水路１を横断して制御用のケーブルを敷設する必要がなく、特に、開水路１の幅が広い場合に適している。
【００６３】
上記センサ昇降ユニット３Ａからトリガー信号として発信される超音波は、例えば図１３に示すように、所定の間隔ΔＴで発信されるパルス群２７とすればよい。間隔ΔＴ及びパルス群２７に含まれるパルス数を変更することにより、センサ昇降ユニット３Ａ側に対して異なる指令を送信することができる。
なお、現場制御盤７と中央監視装置４との間の通信や現場制御盤７相互間の通信を無線通信としてもよい。
【００６４】
センサ昇降ユニットは、図１４及び図１５に示す構造であってもよい。この例では、開水路１の岸付近の底に打ち込んだ垂直に延びる杭４０に保守用デッキ９を設け、この保守用デッキ９上に昇降機構６を設置している。図１４及び図１５に示すセンサ昇降ユニットのその他の構造は上記実施形態と同様である。
【００６５】
また、センサ昇降ユニットは、図１６から図１８に示す構造であってもよい。この例では、傾斜面である開水路１の法面１ｂに沿って、超音波センサ２が昇降する構造としている。すなわち、開水路１の岸に設置された保守用デッキ９から法面１ｂに沿ってガイドレール４１が延びており、このガイドレール４１に沿って移動する移動体４２が設けられている。この移動体４２はガイドレール４１により案内される複数の車輪４２ａを備えており、超音波センサ２を内蔵している。また、移動体４２にはワイヤ５３の一端が連結されており、このワイヤ５３の他端は保守用デッキ９上の巻取り装置４３に接続されている。さらに、超音波センサ２Ａにはケーブル５０の一端が接続されており、このケーブル５０の他端はケーブルリール１１を介して現場制御盤７（図１参照）に接続されている。巻取り装置４３をワイヤ５３を送出する方向に回転させると、移動体４２は自重により降下する。一方、巻取り装置４３によりワイヤ５３を巻き取ると、移動体４２はガイドレール４１に沿って上昇する。
【００６６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の超音波式流量測定装置は、超音波センサを水深方向に昇降させる昇降機構を有する少なくとも一対のセンサ昇降ユニットと、各センサ昇降ユニットの超音波センサが同一水深位置となるように各センサ昇降ユニットの昇降機構を制御する制御部とを備えているため、開水路の全断面の流速分布を測定することができ、高精度での流量測定が可能である。特に、開水路の最大水深に応じて複数の測定水深位置を設定することにより、最大水深に応じた最適な測定水深位置での流速測定が可能であり、流量測定精度を一層向上することができる。
【００６８】
さらに、上記のようにセンサ昇降ユニットの一対の超音波センサが水深方向に昇降することにより複数の水深位置で流速の測定が可能であるので、複数水深位置に複数対の超音波センサを設ける必要がない。この点で、本発明の超音波式流速測定装置は、構造が簡易で比較的安価であると共に、保守も容易である。
【００６９】
さらにまた、本発明の超音波式流量測定装置では、開水路に架渡される橋梁状構造物等の大規模な設備は不要であるため、洪水発生時を含めた定常的、連続的な流量測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる超音波式流量測定装置（シングルパス型）を示す概略平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線での断面図である。
【図３】図２の矢印ＩＩＩ方向から見たセンサ昇降ユニットの正面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線での断面図である。
【図５】開水路の横断面及び水深方向の流速分布を示す概略図である。
【図６】第１モードにおける超音波式流量測定装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図７】超音波センサが水中にある場合の多重反射を示す波形図である。
【図８】超音波センサが空気中にある場合の多重反射を示す波形図である。
【図９】反射板により反射された超音波を示す波形図である。
【図１０】流速の測定原理を説明するための波形図である。
【図１１】第２モードにおける超音波式流量測定装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図１２】本発明の他の実施形態にかかる超音波式流量測定装置（クロスパス型）を示す概略平面図である。
【図１３】一方のセンサ昇降ユニットの超音波センサをレスポンダ型とした場合の制御用の超音波の一例を示す波形図である。
【図１４】センサ昇降ユニットの他の例を示す断面図である。
【図１５】（Ａ）は図１４の矢印ＸＶ方向から見た正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸＶ’−ＸＶ’線での断面図である。
【図１６】センサ昇降ユニットの他の例を示す断面図である。
【図１７】図１６の部分ＸＶＩＩの拡大図である。
【図１８】図１６のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線での断面図である。
【符号の説明】
１  開水路
１ａ  底
１ｂ  法面
２Ａ，２Ｂ  超音波センサ
２ａ  センサ本体
２ｂ  筐体
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ  センサ昇降ユニット
４  中央監視室
４ａ  中央制御盤
４ｂ  パーソナルコンピュータ
５Ａ，５Ｂ  反射板
６  昇降機構
７  現場制御盤
７ａ  変換器
７ｂ  駆動・制御装置
７ｃ  電源装置
９  保守用デッキ
１０  昇降ロッド
１１  ケーブルリール
１２  ラック
１３  ピニオン
１４  昇降用モータ
１６  駆動軸
１７  カウンタウエート
１８  フレーム
３０  水位計
４０  杭
４１  ガイドレール
４２  移動体
４２ａ  車輪
４３  巻取り装置
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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