(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同心円状に配列した複数列の圧電素子からなる超音波発振部を備えた超音波送受信装置と、
その超音波送受信装置が被測定断面を横切るように超音波を連続発振可能であるように発振角度を変化させる超音波角度変化装置と、
前記超音波送受信装置が発振した超音波の反射波を受信して、その受信結果に基づいて算出した距離値に同じ数値が二つ以上存在する時は前記超音波発振部における複数列の圧電素子の超音波発振を切り替える自動切り替え装置と、
前記超音波送受信装置が受信したデータから被測定断面寸法を算出する演算部を備えた制御装置と、
を備えたことを特徴とする被測定断面寸法計測装置。
【請求項２】
前記の制御装置は、手入力によって前記データの補正が可能なデータ入力手段を備えた請求項１に記載の被測定断面寸法計測装置。
【請求項３】
前記の制御装置は、予め作成した被測定断面の図面を用いてその被測定断面の初期値を入力する初期値入力手段を備えた請求項１または請求項２のいずれかに記載の被測定断面寸法計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、簡易的で高精度に被測定断面寸法を計測可能な、超音波を利用した被測定断面寸法計測装置および被測定断面寸法計測方法に関する。
【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。
一方、開渠断面の寸法計測には、設計図面を用いるのが最も簡単であるが、開渠から水を抜く、いわゆる抜水した際に実測した実測値を使用する場合もある。
【０００４】
また、超音波を利用した寸法計測方法を採用する場合もある。その寸法計測方法は、超音波の伝播時間と水中音速から距離を算出する。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。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、特許文献１に開示されている技術の目的は、大規模な水路全体の流量を簡略な設備にて測定することである。  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。  また、既知である水路形状および寸法と別の手段で計測した水位とから流水断面積を計算し、その流水断面積と計測した前記の流速とから流量を算出する。
したがって、大規模な水路全体の流量を簡略な設備にて測定する目的を達成する点においては、既知である水路形状および寸法を利用することで十分である。
【０００７】
ところで、実際の開渠の断面寸法は、水路形状が設計寸法と異なっている場合が少なくない。また、壁面へ付着する付着物、流れてきて底面に留まる石、流されてきた固体によって削られた傷、といったことが原因で経年変化も生じている。
したがって、高精度な流量計測が必要な場合には、既知である水路形状および寸法を用いることができない。
たとえば、水力発電所の効率試験を行う場合の流量の計測精度は、高精度であることが求められるため、開渠の断面寸法も高精度に計測する必要がある。開渠の大きさにもよるが、数センチメートル程度の断面寸法の違いによって１％程度の流量差が生じる場合もあるからである。
【０００８】
したがって、高精度の流量計測が求められる場合には特許文献１の方法では不十分であった。
一方、抜水して実測することで開渠の断面寸法の実測値を得ることができれば、流量計測の精度は高められるが、抜水には労力と時間を要するので、開渠断面の寸法計測のためだけに抜水することは避けたい。そのため、簡易的で、よりいっそう高精度に計測可能な方法が望まれていた。
【０００９】
前述した超音波を利用した寸法計測方法は、抜水せずに簡易的に寸法計測する方法として有効である。
しかし、従来においては、超音波送受信装置から発振された超音波は、その距離に応じて広がりを持つ。そのため、計測すべき開渠の壁面から反射した反射波が開渠の別の箇所へ向かって反射する。超音波送受信装置では、計測すべき開渠の壁面から反射した反射波ではなく、開渠の別の箇所で反射した反射波を間違って計測してしまうことが実際には生じてしまう。特に、底面と側面との境目付近で、このような事態が生じている。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、超音波を利用しての簡易的で高精度な被測定断面寸法を計測可能な被測定断面寸法計測装置および被測定断面寸法計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（発明）
本願における発明は、  同心円状に配列した複数列の圧電素子(23a,23b)からなる超音波発振部(21)を備えた超音波送受信装置(20)と、  その超音波送受信装置(20)が被測定断面を横切るように超音波(24)を連続発振可能であるように発振角度を変化させる超音波角度変化装置(30)と、  前記超音波送受信装置(20)が発振した超音波(24)の反射波(25)を受信して、その受信結果に基づいて算出した距離値に同じ数値が二つ以上存在する時は前記超音波発振部(21)における複数列の圧電素子(23a,23b)の超音波発振を切り替える自動切り替え装置(40)と、  前記超音波送受信装置(20)が受信したデータから被測定断面寸法を算出する演算部(64)を備えた制御装置(50)と
、  を備えた被測定断面寸法計測装置(10)に係る。
【００１２】
（用語説明）
同心円状に配列した複数列の圧電素子(23a,23b)からなる超音波発振部(21)において、中央に位置する圧電素子(23a)のみから超音波を発振した場合、発振される超音波は拡散しやすい。ドーナツ上の圧電素子(23b)からのみ超音波を発振した場合、発振される超音波は、ある程度の距離までは収束し、その収束後に拡散する超音波となる。
【００１３】
（作用）
超音波送受信装置(20)の超音波発振部(21)における複数列の圧電素子(23a,23b)のいずれかの圧電素子(23aまたは23b)から、超音波(24)を発振する。その発振は、超音波角度変化装置(30)によって前記超音波(24)が被測定断面を横切るように連続して発振する。
上記の連続発振した超音波(24)の反射波(25)を受信した受信結果に基づいて算出した距離値に同じ数値が二つ以上存在する時は、自動切り替え装置(40)が前記超音波発振部(21)における複数列の圧電素子(23)を切り替え、超音波(24)が測定箇所の近傍で収束するように制御する。  制御されながら発振された超音波は、二重に反射しそうな角付近では収束する超音波(たとえば図３(Ｂ)に示す超音波24)であり、二重の反射波が発生することを未然に防止する。
制御装置(50)の演算部(64)にて反射波情報に基づいて被測定断面寸法が計算され、高精度に計測されることとなる。
【００１４】
（発明のバリエーション１）
本願における発明は、以下のようなバリエーションを提供することもできる。
すなわち、  前記制御装置(50)が、手入力によって前記データの補正が可能なデータ入力手段(54)を備えることとしてもよい。
【００１５】
（作用）
測定者が測定した結果をチェックし、その測定者の判断でデータ入力手段(54)にて補正することができる。
【００１６】
（発明のバリエーション２）
本願における発明は、以下のようなバリエーションを提供することもできる。
すなわち、  前記制御装置(50)が、予め作成した被測定断面の図面を用いてその被測定断面の初期値を入力する初期値入力手段(55)を備えることとしてもよい。
【００１７】
（作用）
被測定断面の図面がある場合、予めその図面の被測定断面の初期値を初期値入力手段(55)にて入力することによって、実際に測定したデータと前記初期値とを比較検討することができる。
なお、前回の実測値を蓄積してある場合にも、予め初期値入力手段(55)にて初期値を入力しておくことが可能である。
【発明の効果】
【００２０】
本願における発明によれば、超音波を利用して高精度な被測定断面寸法を計測可能な被測定断面寸法計測装置を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態の被測定断面寸法計測装置にて開渠を測定するときの概略的な斜視図である。
【図２】図１において被測定断面を測定するときの開渠の断面図である。
【図３】図３（Ａ）は、２列の圧電素子を備えた超音波発振部における小径の圧電素子から発振した超音波の状態を示す概略的な斜視図である。  図３（Ｂ）は、前記超音波発振部における大径の圧電素子から発振した超音波の状態を示す概略的な斜視図である。
【図４】三列の圧電素子を備えた超音波発振部における最外周側の圧電素子から発振した超音波の状態を示す概略的な斜視図である。
【図５】本発明の実施形態の被測定断面寸法計測装置の機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
本実施形態に係る被測定断面寸法計測装置１０は、図１および図２に示すように、超音波送受信装置２０と超音波角度変化装置３０と自動切り替え装置４０と制御装置５０とを備えている。なお、本実施形態では開渠７０の被測定断面を測定することを例とする。
【００２３】
前記超音波送受信装置２０は、超音波発振部２１と超音波受信部２２とを含んで構成される。
前記超音波発振部２１は、図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように、同心円状に配列した複数列の圧電素子２３から構成されている。図では中心部に小径の圧電素子２３ａを配置し、その圧電素子２３ａの外周に同心円のドーナツ状の圧電素子２３ｂを配置している。合計２列の圧電素子２３ａ，２３ｂで構成され、各圧電素子２３ａ，２３ｂから超音波パルス波２４を発振する。
【００２４】
また、超音波受信部２２は、前記超音波発振部２１から発振した超音波パルス波２４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２５を受信する。
【００２５】
ここで、前記超音波発振部２１において上記のように複数列の圧電素子２３を同心円状に配列して構成した理由について詳しく説明する。
発振した超音波パルス波２４が測定すべき被測定断面の壁面７１の付近で収束するようにコントロールすることによって、別の箇所の反射波２５を間違って計測する事態を防止することができる。なお、超音波パルス波２４が収束するとは、超音波ビームが細くなることである。
つまり、超音波パルス波２４が測定すべき被測定断面の壁面７１の付近で収束するなら、たとえ測定すべき箇所で反射してから別の箇所で反射した反射波２５を受信しても、その別の箇所の反射波２５と前記測定すべき箇所で反射した反射波２５とは時間的な差がはっきりする。したがって、別の箇所の反射波２５を間違って計測することはない。
一方、例えば図２に示すように被測定箇所が開渠７０の角部の近くの場合、超音波パルス波２４が被測定箇所の付近で広がっているなら、被測定箇所の近くの壁面７１で反射した反射波２５と、被測定箇所で反射した反射波２５との時間的な差がはっきりしないことが生じる。そのために間違って計測することになりかねない。
【００２６】
超音波パルス波２４の収束をコントロールするパラメータは、圧電素子２３の直径と超音波２４の周波数である。それらのパラメータは数値計算が比較的容易である。
圧電素子２３の直径は超音波送受信装置２０を製作する時に決定している。一方、周波数については、圧電素子２３の固有の数値であるため、±１０％程度の異なる周波数を無理に発振することは可能であるが、超音波パルス波２４の収束点をコントロールできるほどの周波数変化量はない。
したがって、高精度に被測定断面寸法を計測するには、被測定断面の壁面７１までの距離に適した圧電素子２３を準備する必要がある。つまり複数の圧電素子２３を準備することになるので大型化しコスト高となる。また、超音波２４の周波数を変化させるためには、専用の超音波発振装置が必要となるのでコスト高となる。
【００２７】
そこで、前記超音波発振部２１において複数列の圧電素子２３を同心円状に配列したことによって、例えば、小径の圧電素子２３ａから発振する超音波パルス波２４は、図３（Ａ）に示すように広がって伝播していく。一方、大径の圧電素子２３ｂから発振する超音波パルス波２４は、図３（Ｂ）に示すようにいったん収束した後に徐々に広がって伝播していくことになる。なお、図では上記の二つの超音波パルス波２４の違いを明確に説明するために大きく異なる状態で図示している。
【００２８】
図４では、中心部に小径の圧電素子２３ａを配置し、その圧電素子２３ａの外周に同心円のドーナツ状の圧電素子２３ｂを配置し、その圧電素子２３ｂの外周に同心円のドーナツ状の圧電素子２３ｃを配置している。合計３列の圧電素子２３ａ，２３ｂ，２３ｃで構成され、圧電素子２３ａ，２３ｂ，２３ｃから超音波パルス波２４を発振する。したがって、図３の場合より超音波パルス波２４の収束をコントロールする幅が広がることになる。
【００２９】
前記圧電素子２３ａは電線にて切替スイッチ２６ａを介して電源２７ａに接続されている。前記圧電素子２３ｂは電線にて切替スイッチ２６ｂを介して電源２７ｂに接続されている。なお、前記電源２７ａと前記電源２７ｂは同一でも別々でもよい。
【００３０】
前記超音波角度変化装置３０は、前記超音波送受信装置２０が被測定断面を横切るように超音波２４を連続発振可能であるように発振角度を変化させる装置である。その一例として、箱型形状の装置本体３１が例えば三脚３３にて所望の場所へ設置可能な台座３２の上に設けられる。その装置本体３１には回転軸がモータや回転ギヤなどからなる回転駆動機構にて正転方向および逆転方向に回転するように設けられ、前記回転軸によって前記超音波送受信装置２０の超音波パルス波２４の発振角度を変化させる機構である。
【００３１】
前記自動切り替え装置４０は、前記超音波送受信装置２０の超音波発振部２１が発振した超音波２４の反射波２５を超音波受信部２２にて受信した受信結果に基づいて、前記超音波発振部２１における複数列の圧電素子２３（図３では圧電素子２３ａと圧電素子２３ｂ）の超音波発振を切り替える装置である。  例えば、自動切り替え装置４０によって切替スイッチ２６ａと切替スイッチ２６ｂのいずれか一方をＯＮにした時は、他方がＯＦＦとなるように切り替える。
【００３２】
制御装置５０は、例えばパソコンなどの測定端末器を使用する。その測定端末器は、制御部６０と記憶部５１と表示部５２と操作部５３とを含んで構成される。
前記制御部６０は、中央処理装置（ＣＰＵ）を含む半導体集積回路により測定端末器を管理および制御する。記憶部５１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６０で処理されるプログラムや取得データなどを記憶する。表示部５２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５１に記憶されたアプリケーションのＧＵＩ（Graphical User Interface）を表示する。操作部５３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）およびマウスから構成され、ユーザの操作入力をするものである。
【００３３】
さらに、上記の操作部５３は、データ入力手段５４、初期値入力手段５５を備えている。
データ入力手段５４は、手入力によって、超音波送受信装置２０の超音波パルス波２４によって測定された被測定断面の座標データを補正することを可能とする。測定者が測定した結果をチェックし、その測定者の判断で補正や修正を必要とする時に、修正や補正をすることができる。
初期値入力手段５５は、予め作成した被測定断面の図面を用いてその被測定断面の初期値を入力する。開渠の図面がある場合、予めその図面の被測定断面の初期値を入力することによって、実際に測定したデータと前記初期値とを比較検討し、よりいっそう高精度に開渠７０の被測定断面を計測することに貢献する。
【００３４】
さらに、上記の制御部６０は、パルサー６１、レシーバ６２、Ａ／Ｄ変換部６３、演算部６４、比較判断部６５、指令部６６を含んで構成されている。
前記パルサー６１は、ケーブル１１を介して超音波発振部２１に超音波入力信号（電圧）を入力する。そのとき、自動切り替え装置４０によって超音波発振部２１における複数列の圧電素子２３への入力が切り替えられる。前記超音波入力信号には超音波発振部２１が送信する超音波パルス波２４の周波数情報および間隔情報を含んでいる。
前記レシーバ６２は、超音波受信部２２によってアナログ信号に変換された反射波２５の信号を増幅する。
前記Ａ／Ｄ変換部６３は、レシーバ６２によって増幅されたアナログ信号としての反射波２５をデジタル信号に変換する。
【００３５】
前記演算部６４は、超音波送受信装置２０からレシーバ６２、Ａ／Ｄ変換部６３を経て得た反射波情報から被測定断面の壁面７１までの距離値を算出する。また、その算出した距離値から被測定断面の壁面７１の座標を計算する。さらに、前記超音波送受信装置２０によって超音波パルス波２４が開渠７０の被測定断面を横切るように連続発振されるので、各超音波パルス波２４の反射波情報から開渠７０の被測定断面の全体の座標を計算する。
また、前記演算部６４は、データ入力手段５４を使用して手入力によって与えられたデータに基づいて、前記超音波送受信装置２０の超音波パルス波２４によって測定された被測定断面の座標データを補正するべく計算する。
また、前記演算部６４は、初期値入力手段５５を使用して、予め作成した開渠７０の被測定断面の図面を用いて入力された被測定断面の初期値と、前記超音波送受信装置２０の超音波パルス波２４によって測定された被測定断面の座標データとの差を計算する。
【００３６】
前記比較判断部６５は、前記演算部６４にて算出した距離値において同じ数値が二つ以上あるか否かを比較判断し、二つ以上存在する時は超音波パルス波２４の収束を変化させる必要があると判断する。
前記指令部６６は、前記比較判断部６５にて超音波パルス波２４の収束を変化させる必要があると判断したとき、前記自動切り替え装置４０に対して超音波発振部２１における複数列の圧電素子２３の超音波発振を切り替える指令を与える。
また、前記指令部６６は、ケーブル１２を介して前記超音波角度変化装置３０に対して前記超音波送受信装置２０が被測定断面を横切るように超音波２４を連続発振可能であるように発振角度を変化させる指令を与える。
【００３７】
次に、上記の被測定断面寸法計測装置１０における作用、すなわち本発明に係る被測定断面寸法計測方法について説明する。
例えば開渠７０の断面を測定する場合について説明する。まず、図１に示すように、超音波送受信装置２０が超音波角度変化装置３０によって開渠７０の被測定断面を横切るようにして超音波２４を連続発振可能であるように設置される。
超音波発振部２１において同心円状に配列した複数列の圧電素子２３のいずれかの圧電素子２３から超音波パルス波２４が発振する。  その時、超音波パルス波２４が開渠７０の被測定断面を横切るようにして連続発振する。
【００３８】
この例では図３に示した超音波発振部２１を用いて説明する。すなわち、超音波発振部２１は中心部に配置した小径の圧電素子２３ａと、その圧電素子２３ａの外周に同心円のドーナツ状に配置した圧電素子２３ｂとの合計２列の圧電素子２３で構成される。
例えば自動切り替え装置４０によって切替スイッチ２６ａがＯＮで、切替スイッチ２６ｂがＯＦＦであるとき、圧電素子２３ａから超音波パルス波２４が連続発振する。各超音波パルス波２４は被測定断面の壁面７１に当たって反射し、その反射波２５を超音波受信部２２で受信する。
【００３９】
制御装置５０では、超音波受信部２２からレシーバ６２、Ａ／Ｄ変換部６３を経て得た反射波情報から被測定断面の壁面７１までの距離が演算部６４にて算出される。その算出した距離から被測定断面の壁面７１の座標が計算される。
以上のようにして、超音波パルス波２４が開渠７０の被測定断面を横切るように連続発振されるので、各超音波パルス波２４の反射波情報から被測定断面全体の座標が計算される。
【００４０】
比較判断部６５では、各超音波パルス波２４の反射波情報から開渠７０の被測定断面の壁面７１までの距離が算出される毎に、同じ数値の距離データが二つ以上あるか否かを比較判断する。同じ数値が二つ以上存在する時は、発振した超音波パルス波２４が測定すべき被測定断面の壁面７１の付近で収束していないと判断する。すなわち、超音波パルス波２４の収束を調整する必要があると判断する。
【００４１】
上記の比較判断部６５の情報に基づいて、指令部６６から自動切り替え装置４０に対して超音波発振部２１における複数列の圧電素子２３の超音波発振を切り替える指令を与える。この例では、自動切り替え装置４０によって切替スイッチ２６ａをＯＦＦとし、切替スイッチ２６ｂをＯＮする。つまり、圧電素子２３ｂから超音波パルス波２４が発振するように切り替えられる。  再び演算部６４にてその超音波パルス波２４における距離値が計算され、比較判断部６５にて同じ数値の距離データが二つ以上ないことを確認する。つまり、超音波パルス波２４が測定箇所の近傍で収束していることを確認する。以上のようにして、開渠７０の被測定断面寸法を高精度に計測することができる。
【００４２】
以上のことから、本実施形態の被測定断面寸法計測装置および被測定断面寸法計測方法では、超音波２４が測定箇所の近傍で収束するようにコントロールすることによって、簡易的で、よりいっそう高精度に開渠７０の被測定断面寸法を計測することができた。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
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】
【００４４】
１０  被測定断面寸法計測装置          １１  ケーブル
１２  ケーブル
２０  超音波送受信装置                ２１  超音波発振部
２２  超音波受信部                     ２３，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ  圧電素子
２４  超音波パルス波                  ２５  反射波
２６ａ，２６ｂ，２６ｃ  切替スイッチ
２７ａ，２７ｂ，２７ｃ  電源
３０  超音波角度変化装置              ３１  装置本体
３２  台座                            ３３  三脚
４０  自動切り替え装置
５０  制御装置                        ５１  記憶部
５２  表示部                          ５３  操作部
５４  データ入力手段                  ５５  初期値入力手段
６０  制御部                          ６１  パルサー
６２  レシーバ                        ６３  Ａ／Ｄ変換部
６４  演算部                          ６５  比較判断部
６６  指令部
７０  開渠（被測定断面）              ７１  壁面
【図１】
0005717050.tif 000002
【図２】
0005717050.tif 000003
【図３】
0005717050.tif 000004
【図４】
0005717050.tif 000005
【図５】
0005717050.tif 000006