(57)【要約】【課題】  超音波式流量測定装置の測定精度を向上する。【解決手段】  超音波式流量測定装置は、上流側の超音波プローブ２１Ａから発信されて下流側の超音波プローブ２１Ｂで受信される１回目の受信波形ｆ１と比較用波形である２回目の受信波形ｆ２との相関演算を実行し、かつ下流側の超音波プローブ２１Ｂから発信されて上流側の超音波プローブ２１Ａで受信された第１回目の受信波形ｆ１と比較用波形である２回目の受信波形ｆ２との相関演算を実行する相関演算部３１を備える。判定部３２は、相関演算部３１の演算結果に基づいて、到達時間ｔ＋，ｔ−の算出に必要な到達タイミングΔｔ＋，Δｔ−を算出する。【選択図】図１
2005345362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向方向が流れ方向に対して傾斜するように開水路の両岸に配置された第１及び第２の超音波プローブを備え、前記第１の超音波プローブから発信された超音波が前記第２の超音波プローブに到達するのに要する時間である第１の到達時間と、前記第２の超音波プローブから発信された超音波が前記第１の超音波プローブに到達するのに要する時間である第２の到達時間とに基づいて、開水路の流量を測定する超音波式流量測定装置であって、
前記第１の超音波プローブから発信されて前記第２の超音波プローブで受信される第１の受信波形と第１の比較用波形との相関演算を実行し、かつ前記第２の超音波プローブから発信されて前記第１の超音波プローブで受信された第２の受信波形と第２の比較用波形との相関演算を実行する相関演算部と、
前記相関演算部の演算結果に基づいて、前記第１及び第２の到達時間の算出に必要な時間又は前記第１及び第２の到達時間自体を判定する判定部と
を備える、超音波式流量測定装置。
【請求項２】
前記第１及び第２の受信波形と、前記第１の受信波形の受信後時間間隔をあけて前記第１の超音波プローブから発信されて前記第２の超音波プローブで受信される第３の受信波形と、前記第２の受信波形の受信後時間間隔をあけて前記第２の超音波プローブから発信されて前記第１の超音波プローブで受信される第４の受信波形とを、サンプリングするサンプリング部と、
前記サンプリング部によりサンプリングされた前記第１から第４の受信波形を記憶する記憶部と、
前記第１の超音波プローブによる超音波の発信から前記サンプリング部による前記第１及び第３の受信波形のサンプリング開始までの時間である第１のサンプリング開始時間と、前記第２の超音波プローブによる超音波の発信から前記サンプリング部による前記第２及び第４の受信波形のサンプリング開始までの時間である第２のサンプリング開始時間とを計時するタイマと
をさらに備え、
前記相関演算部は、前記記憶部に記憶された第３の受信波形を前記第１の比較用波形として前記記憶部に記憶された第１の受信波形との相関演算を実行し、かつ前記記憶部に記憶された第４の受信波形を前記第２の比較用波形として前記憶部に記憶された記第２の受信波形との相関演算を実行し、
前記判定部は、前記相関演算部の演算結果に基づいて、前記第１及び第３の受信波形についての前記サンプリング部によるサンプリング開始から直進波形の到達までの時間である第１の到達タイミングと、前記第２及び第４の受信波形についての前記サンプリング部によるサンプリング開始から直線波形の到達までの時間である第２の到達タイミングとを判定し、
前記第１のサンプリング開始時間に前記第１の到達タイミングを加算して前記第１の到達時間を算出し、かつ前記第２のサンプリング開始時間に前記第２の到達タイミングを加算して前記第２の到達時間を算出する加算器をさらに備える、
請求項１に記載の超音波式流量流量測定装置。
【請求項３】
前記相関演算部は、下記の式に基づいて前記相関演算を実行する、請求項２に記載の超音波式流量測定装置。
2005345362.tif 000014
【請求項４】
前記第１及び第２の受信波形と、前記第１の受信波形と対応する前記第１の超音波プローブからの第１の発信波形と、前記第２の受信波形に対応する前記第２の超音波プローブからの第２の発信波形とをサンプリングするサンプリング部と、
前記サンプリング部によりサンプリングされた第１及び第２の受信波形と、前記サンプリング部によりサンプリングされた第１及び第２の発信波形とを記憶する記憶部とをさらに備え、
前記相関演算部は、前記記憶部に記憶された第１の発信波形を前記第１の比較用波形として前記第１の受信波形との相関演算を実行し、かつ前記記憶部に記憶された第２の発信波形を前記第２の比較用波形として前記第２の受信波形との相関演算を実行する、請求項１に記載の超音波式流量測定装置。
【請求項５】
前記相関演算部は、下記の式に基づいて前記相関演算を実行する、請求項４に記載の超音波式流量測定装置。
2005345362.tif 000015
【請求項６】
前記第１の受信波形と、前記第２の受信波形とをサンプリングするサンプリング部と、
前記サンプリング部によりサンプリングされた前記第１及び第２の受信波形を記憶する記憶部と、
前記第１の超音波プローブの発信波形を表す前記第１の比較用波形と、前記第２の超音波プローブの発信波形を表す前記第２の比較用波形とを予め記憶した比較用波形波形記憶部と、
を備える、請求項１に記載の超音波式流量測定装置。
【請求項７】
前記相関演算部は、下記の式に基づいて前記相関演算を実行する、請求項６に記載の超超音波式流量測定装置。
2005345362.tif 000016
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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プローブを利用するもの（超音波式流量測定装置）が知られている。例えば、非特許文献１及び２には、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する超音波式流量測定装置が記載されている。
【０００３】
図１１を参照して従来の超音波式流量測定装置の一例を説明する。河川の両岸に同一水深位置で互いに対向するように、一対の超音波プローブ１Ａ，１Ｂが配置されている。超音波プローブ１Ａ，１Ｂは流れ方向Ｆに対して直角でない角度θをなすように対向している。一方の超音波プローブ１Ａが所定周波数の数波長の超音波を発信し、この発信と同時にタイマ５の計時が開始される。超音波は媒体である水を伝播して、対岸に配置された他方の超音波プローブ１Ｂで受信される。超音波プローブ１Ｂで受信された超音波は処理装置１０の増幅器３で増幅された後、比較器４に入力される。比較器４は増幅された受信信号を閾値と比較し、受信信号が閾値を越えるとタイマ５の計時を停止させる。その結果、流れ方向Ｆでの超音波プローブ１Ａ，１Ｂ間の超音波の到達時間ｔ＋が測定される。流れ方向Ｆと逆方向での超音波の到達時間ｔ−は、超音波プローブ１Ｂを発信側、超音波プローブ１Ａを受信側とすることで、同様にして測定されている。これら到達時間ｔ＋，ｔ−に基づいて流速計算部６が測線における平均流速Ｖｍを算出し、平均流速Ｖｍに基づいて流量計測部７が流量Ｑを算出する。
【０００４】
【非特許文献１】蜂屋弘之  外２名，「洪水時の河川における超音波伝搬特性」，超音波ＴＥＣＨＮＯ，日本工業出版株式会社，２００３年５月２０日，第１５巻，第３号，ｐ．４０−４３
【非特許文献２】アントニウス・ラエネン（Antonius Laenen）,ウインチェル・スミス(Winchell Smith)，「河川流量計測のための音波システム（Acoustic Systems for the Measurement of Streamflow）」，合衆国地質調査所水源論文２２１３，「（U.S. GEOLOGICAL SURVEY WATER-SUPPLY PAPER 2213）」,合衆国政府印刷局(UNITED STATES GOVERMENT PREINTING OFFICE)，１９８３年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、水を伝播して超音波プローブ１Ａ，１Ｂで受信されたときの超音波の波形は、種々の要因で不安定となる。そのため、図１１の装置のような受信信号と閾値との単純な比較では、到達時間ｔ＋，ｔ−が判定不能となる現象（欠測）が発生する。
【０００６】
水中での超音波の音速Ｃは一般に以下の式（１）で表現される。
【０００７】
2005345362.tif 000003
【０００８】
式（１）から明らかなように塩分濃度Ｓにより音速Ｃが変化するので、河川の断面や横断経路における塩分濃度の分布により受信波形が不安定となる。特に、図１２に示すように感潮河川では真水１１に塩水１２が混合した状態が想定される。超音波の伝搬経路１３により塩水の領域１２を通過する回数や、その領域１２への入射又は出射の角度が異なると受信波形に乱れが生じる。
【０００９】
同様に、式（１）から明らかなように、断面や横断経路における水温分布も受信波形が不安定となる要因となる。特に、感潮河川では水温分布が生じやすい。
【００１０】
さらに、堰の開閉等によって発生する乱流も受信波形が不安定となる要因となる。
【００１１】
さらにまた、超音波プローブ１Ａ，１Ｂ自体が指向性を有しており、図１３に概略的に示すように発信される超音波の強度１４に分布がある。この超音波プローブ１Ａ，１Ｂ自体の指向性も、前記塩分濃度分布や水温分布と相俟って受信波形が不安定となる要因となる。
【００１２】
そこで、本発明は欠測の発生を防止し、測定精度と信頼性に優れた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。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者は、欠測に至った超音波の受信波形の形状について検討したところ、以下の知見を得た。
【００１４】
図１４を参照すると、受信波形１５は、超音波プローブ間を直進した主波形ないしは直進波形１６に、概ね２種類の波形が重畳された波形である。重畳される波形の一つは、塩水塊や水面付近の高温層を通過することで高音速となり、直進波形１６を追い越して受信側の超音波プローブに到達した波形１７である。他の一つは、開水路の底部（川底）や水面（川面）で反射されることで直進波形１６よりも受信側の超音波プローブへの到達が遅れた波形１８である。これら直進波形１６及びこれに重畳される２種類の波形１７，１８の周波数に着目したところ、直進波形１６は発信側の超音波プローブの基本周波数が維持されることが見出された。例えば、発信された超音波の周波数が１００ｋＨｚであれば、受信される直進波形１６の周波数もほぼ１００ｋＨｚである。また、発信された超音波の周波数が３０ｋＨｚであれば、受信される直進波形１６の周波数もほぼ３０ｋＨｚである。これに対して、残りの２種類の波形では、周波数シフトや合成が生じるため、発信側の超音波プローブの基本波形が維持されない。例えば、塩水塊や温度塊を通過した超音波にはレンズ効果が発生し、波形１７には周波数シフトと合成により直進波形１６に対して波形の変形が生じている。また、表面に反射した波の影響で周波数のシフトが発生する。従って、発信側の超音波プローブの基本周波数が維持されるという直線波形１６の特性を利用すれば、発信側の超音波プローブから受信側の超音波プローブへの超音波の到達時間を高精度かつ高い信頼性を持って測定できる。
【００１５】
以上の知見に基づいて、本発明は主波形ないしは直進波形の到達を検出するために、相関演算を利用する。
【００１６】
従って、本発明は、対向方向が流れ方向に対して傾斜するように開水路（２０）の両岸に配置された第１及び第２の超音波プローブ（２１Ａ，２１Ｂ）を備え、前記第１の超音波プローブから発信された超音波が前記第２の超音波プローブに到達するのに要する時間である第１の到達時間（ｔ＋）と、前記第２の超音波プローブから発信された超音波が前記第１の超音波プローブに到達するのに要する時間である第２の到達時間（ｔ−）とに基づいて、開水路の流量（Ｑ）を測定する超音波式流量測定装置であって、前記第１の超音波プローブから発信されて前記第２の超音波プローブで受信される第１の受信波形（ｆ１，Ｓ２，Ｓ’２）と第１の比較用波形（ｆ２，Ｓ１，Ｓ’１）との相関演算を実行し、かつ前記第２の超音波プローブから発信されて前記第１の超音波プローブで受信された第２の受信波形（ｆ１，Ｓ２，Ｓ’２）と第２の比較用波形（ｆ２，Ｓ１，Ｓ’１）との相関演算を実行する相関演算部（３１）と、前記相関演算部の演算結果に基づいて、前記第１及び第２の到達時間の算出に必要な時間又は前記第１及び第２の到達時間自体を判定する判定部（３２）とを備える、超音波式流量測定装置を提供する。
【００１７】
本発明の流量測定装置では、相関演算部が第１及び第２の超音波プローブの受信波形と比較用波形との相関演算を実行し、それに基づいて判定部が第１の超音波プローブから第２の超音波プローブへの超音波の到達時間（第１の到達時間）と、第２の超音波プローブから第１の超音波プローブへの超音波の到達時間（第２の到達時間）との算出に必要な時間又は前記第１及び第２の到達時間自体を判定する。受信波形のうち第１及び第２の超音波プローブ間を直進する超音波（直進部分）に重畳された外乱ノイズ、すなわち塩分濃度分布や温度分布の存在により直進部分よりも高音速の部分及び水面や底面への反射による直進部分より低音速の部分は波形の乱れがあるため、相関演算により相殺されるので、高精度かつ高い信頼性を持って第１及び第２超音波プローブ間の超音波の到達時間を測定し、開水路の流速を高精度で測定することができる。
【００１８】
例えば、時間間隔をあけて受信された超音波の波形に対して相関演算を行うことで、超音波の到達時間を測定する。
【００１９】
具体的には、前記第１及び第２の受信波形（ｆ１）と、前記第１の受信波形の受信後時間間隔をあけて前記第１の超音波プローブから発信されて前記第２の超音波プローブで受信される第３の受信波形（ｆ２）と、前記第２の受信波形の受信後時間間隔をあけて前記第２の超音波プローブから発信されて前記第１の超音波プローブで受信される第４の受信波形（ｆ２）とを、サンプリングするサンプリング部（２９）と、前記サンプリング部によりサンプリングされた前記第１から第４の受信波形（ｆ１，ｆ２）を記憶する記憶部（３０）と、前記第１の超音波プローブによる超音波の発信から前記サンプリング部による前記第１及び第３の受信波形（ｆ１，ｆ２）のサンプリング開始までの時間である第１のサンプリング開始時間（ｔ１）と、前記第２の超音波プローブによる超音波の発信から前記サンプリング部による前記第２及び第４の受信波形（ｆ１，ｆ２）のサンプリング開始までの時間である第２のサンプリング開始時間（ｔ２）とを計時するタイマ（２６）とをさらに備え、前記相関演算部は、前記記憶部に記憶された第３の受信波形（ｆ２）を前記第１の比較用波形として前記記憶部に記憶された第１の受信波形（ｆ１）との相関演算を実行し、かつ前記記憶部に記憶された第４の受信波形（ｆ２）を前記第２の比較用波形として前記憶部に記憶された記第２の受信波形（ｆ１）との相関演算を実行し、前記判定部は、前記相関演算部の演算結果に基づいて、前記第１及び第３の受信波形についての前記サンプリング部によるサンプリング開始から直進波形の到達までの時間である第１の到達タイミング（Δｔ＋）と、前記第２及び第４の受信波形についての前記サンプリング部によるサンプリング開始から直線波形の到達までの時間である第２の到達タイミング（Δｔ−）とを判定し、前記第１のサンプリング開始時間に前記第１の到達タイミングを加算して前記第１の到達時間を算出し、かつ前記第２のサンプリング開始時間に前記第２の到達タイミングを加算して前記第２の到達時間を算出する加算器をさらに備える。
【００２０】
さらに具体的には、前記相関演算部は、下記の式（２）に基づいて前記相関演算を実行する。
【００２１】
2005345362.tif 000004
【００２２】
受信波形と発信波形に対して相関演算を行うことで、超音波の到達時間を測定することができる。
【００２３】
具体的には、前記第１及び第２の受信波形（Ｓ２）と、前記第１の受信波形と対応する前記第１の超音波プローブからの第１の発信波形（Ｓ１）と、前記第２の受信波形に対応する前記第２の超音波プローブからの第２の発信波形（Ｓ１）とをサンプリングするサンプリング部（２９Ａ，２９Ｂ）と、前記サンプリング部によりサンプリングされた第１及び第２の受信波形（Ｓ２）と、前記サンプリング部によりサンプリングされた第１及び第２の発信波形（Ｓ１）とを記憶する記憶部（３０Ａ，３０Ｂ）とをさらに備え、前記相関演算部（３１）は、前記記憶部（３０Ａ）に記憶された第１の発信波形（Ｓ１）を前記第１の比較用波形として前記第１の受信波形（Ｓ２）との相関演算を実行し、かつ前記記憶部（３０Ｂ）に記憶された第２の発信波形（Ｓ１）を前記第２の比較用波形として前記第２の受信波形（Ｓ２）との相関演算を実行する。
【００２４】
さらに具体的には、前記相関演算部は、下記の式（３）に基づいて前記相関演算を実行する。
【００２５】
2005345362.tif 000005
【００２６】
受信波形と予め記憶された比較用波形に対して相関演算を行うことで、超音波の到達時間を測定することができる。
【００２７】
具体的には、前記第１の受信波形（Ｓ’２）と、前記第２の受信波形（Ｓ’２）とをサンプリングするサンプリング部（２９）と、前記サンプリング部によりサンプリングされた前記第１及び第２の受信波形（Ｓ’２）を記憶する記憶部（３０）と、前記第１の超音波プローブの発信波形を表す前記第１の比較用波形（Ｓ’１）と、前記第２の超音波プローブの発信波形を表す前記第２の比較用波形（Ｓ’１）とを予め記憶した比較用波形波形記憶部（４１）とをさらに備える。
【００２８】
さらに具体的には、前記相関演算部は、下記の式に基づいて前記相関演算を実行する。
【００２９】
2005345362.tif 000006
【発明の効果】
【００３０】
本発明の流量測定装置では、相関演算部が第１及び第２の超音波プローブの受信波形と比較用波形との相関演算を実行し、それに基づいて判定部が第１の超音波プローブから第２の超音波プローブへの超音波の到達時間（第１の到達時間）と、第２の超音波プローブから第１の超音波プローブへの超音波の到達時間（第２の到達時間）との算出に必要な時間又は前記第１及び第２の到達時間自体を判定する。相関演算により外乱ノイズが相殺されるので、高精度かつ高い信頼性を持って第１及び第２の超音波プローブ間の超音波の到達時間を測定することができる。従って、塩分濃度分布が著しい感潮河川や、温度分布が著しい河川合流点においても、超音波の到達時間、ひいては流量を高精度かつ高い信頼性を持って測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００３２】
（第１実施形態）
図１及び図２は、本発明の第１実施形態に係る超音波式流量測定装置を示す。この超音波式流量測定装置は、同一方向での超音波の発信及び受信を２回実行し、得られた２つの受信波形について相関演算を実行することにより超音波の到達時間を測定する方式を採用している。
【００３３】
超音波式流量測定装置は、開水路である河川２０の両岸に配置された一対の超音波プローブ２１Ａ，２１Ｂと、これらの超音波プローブ２１Ａ，２１Ｂによる超音波の発信及び受信の制御と、各種の演算を含む流量測定のための処理を実行する処理装置２３とを備えている。
【００３４】
超音波プローブ２１Ａ，２１Ｂは、超音波の発信及び受信を行うためのピエゾ素子を備えている。超音波プローブ２１Ａ，２１Ｂは流れ方向Ｆに対して直角でない角度θをなすように対向して配置されている。超音波プローブ２１Ａが上流側に位置し、超音波プローブ２１Ｂが下流側に位置している。また、超音波プローブ２１Ａ，２１Ｂは、川底から同一の高さに配置されている。
【００３５】
処理装置２３は、周知のオシロスコープ、パーソナルコンピュータ、各種電気・電子回路により構成され、パルス発生部２５、タイマ２６、増幅器２７、Ａ／Ｄ変換器２８、サンプリング回路２９、メモリ３０、相関演算部３１、判定部３２、加算器３３、流速計算部３４、流量計算部３５、及び制御部３６を備えている。
【００３６】
パルス発生部２５は、ピエゾ素子を駆動するためのパルス電圧を発信側の超音波プローブ２１Ａ，２１Ｂに出力する。タイマ２６はサンプリング開始時間ｔ１，ｔ２を計時する。このサンプリング開始時間ｔ１，ｔ２は、超音波プローブ２１Ａ，２１Ｂの一方による超音波の発信から、他方により受信された超音波のサンプリング開始までの時間である。増幅器２７は受信側の超音波プローブ２１Ａ，２１Ｂの出力するアナログ信号（受信信号）を増幅し、Ａ／Ｄ変換器２８は増幅された受信信号をＡ／Ｄ変換する。サンプリング回路２９はデジタル化された受信信号のサンプリングを行い、メモリ３０はサンプリング回路２９でサンプリングされた受信信号を記憶する。相関演算部３１は、メモリ３０に記憶された受信信号に対して相関演算を行う。判定部３２は相関演算部３１の演算結果に基づいて、到達タイミングΔｔ＋，Δｔ−を判定する。この到達タイミングΔｔ＋，Δｔ−はサンプリング回路２９によるサンプリング開始から直進波形の到達までの時間である。加算器３３は、サンプリング開始時間ｔ１，ｔ２に到達タイミングΔｔ＋，Δｔ−を加算して到達時間ｔ＋，ｔ−を算出する。到達時間ｔ＋，ｔ−は超音波プローブ２１Ａ，２１Ｂの一方から他方に超音波が到達するのに要する時間である。流速計算部３４は到達時間ｔ＋，ｔ−等から平均流速Ｖｍを算出する。流量計算部３５は平均流速Ｖｍから流速Ｑを算出する。制御部３６は、相関演算部３１及び判定部３２を含む処理装置２３が備える要素の動作や、これらの間での信号の授受を制御する。
【００３７】
到達時間ｔ＋，ｔ−及び到達タイミングΔｔ＋，Δｔ−について、添字「＋」は上流側の超音波プローブ２１Ａから下流側の超音波プローブ２１Ｂへ向かう超音波に関する時間であることを示し、添字「−」は下流側から上流側へ向かう超音波に関する時間であることを示す。例えば、到達時間ｔ＋は上流側の超音波プローブ２１Ａで発信された超音波が下流側の超音波プローブ２１Ｂに到達するのに要する時間である。逆に、到達時間ｔ−は下流側の超音波プローブ２１Ｂで発信された超音波が上流側の超音波プローブ２１Ａに到達するのに要する時間である。
【００３８】
次に、図３を参照して本実施形態の超音波式流量測定装置による流量測定について説明する。
【００３９】
ステップＳ３−１〜Ｓ３−５は到達時間ｔ＋を得るための処理である。まず、ステップＳ３−１において、上流側の超音波プローブ２１Ａから発信されて下流側の超音波プローブ２１Ｂで受信される超音波の第１回目のサンプリングを行う。パルス発生部２５から供給されるパルス信号により励起された上流側の超音波プローブ２１Ａのピエゾ素子が、設計周波数（例えば３０ｋＨｚ又は１００ｋＨｚ等）の超音波を複数周期分発信する。また、超音波プローブ２１Ａが最初のパルスを発生した時点でタイマ２６が計時を開始する。超音波プローブ２１Ａが発信した超音波は媒体である水を伝播して下流側の超音波プローブ２１Ｂのピエゾ素子で感知され、アナログの電気信号（受信信号）として出力される。図１４を参照して説明したように、受信側の超音波プローブ２１Ｂで検出される超音波の波形は、超音波プローブ２１Ａから直進した主波形ないしは直進波形（符号１６参照）に、塩分濃度分布、水温分布、川底や川面での反射等の要因で遅延や進みが生じた種々の波形（符号１７，１８参照）が重畳されている。
【００４０】
超音波プローブ２１Ｂから出力された受信信号は、増幅器２７で増幅された後、Ａ／Ｄ変換器２８でデジタル化され、サンプリング回路２９によって所定のサンプリングレート（例えば１μｓｅｃ）でサンプリングされる。サンプリング開始時間ｔ１がタイマ２６によって計時される。サンプリング回路２９によってサンプリングされた受信信号は、メモリ３０の第１領域３０ａに記憶される。サンプリングの終了時刻は、例えば超音波プローブ２１Ａ，２１Ｂ間の距離Ｌ、流速の可変範囲、水温等に基づいて予測される超音波プローブ２１Ａ，２１Ｂ間の超音波の到達時間と、メモリ３０の容量とに基づいて決定される。
【００４１】
次に、ステップＳ３−２において、上流側の超音波プローブ２１Ａから発信されて下流側の超音波プローブ２１Ｂで受信される超音波の第２回目のサンプリングを行う。この第２回目のサンプリングは、前記ステップＳ３−１の第１回目のサンプリングと同様の処理によって実行される。ただし、サンプリング回路２９によるサンプリングの開始は、第１回目のサンプリングと同一のサンプリング開始時間ｔ１に開始される。また、サンプリングされた受信信号はメモリ３０の第２領域３０ｂに記憶される。ステップＳ３−２の処理が終了した時点で、メモリ３０の第１領域３０ａにはステップＳ３−１の第１回目のサンプリングによって得られたサンプリング開始時間ｔ１からサンプリング終了までの受信波形（第１の受信波形）ｆ１が記憶され、第２領域３０ｂにはステップＳ３−２の第２回目のサンプリングによって得られたサンプリング開始時間ｔ１からサンプリング終了までの受信波形（第３の受信波形）ｆ２が記憶されている。
【００４２】
次に、ステップＳ３−３において、メモリ３０の第１領域３０ａに記憶された受信波形ｆ１と、第２領域３０ｂに記憶された受信波形ｆ２とが相関演算部３１に入力され、これらの受信波形ｆ１，ｆ２に対して相関演算部３１により相関演算が実行される。具体的には、相関演算部３１は下記の式（５）に示す相関演算を実行する。この相関演算の結果は、判定部３２に出力される。
【００４３】
2005345362.tif 000007
【００４４】
次に、ステップＳ３−４において、判定部３２が到達タイミングΔｔ＋を判定する。式（５）の相関演算を行うと、各受信波形ｆ１，ｆ２に含まれる波形のうち、基本周波数を保持している直進波形は強い相関を示し、直進波形に重畳されている他の波形（遅延や進みを生じ、波形に乱れがあるノイズ波形）は弱い相関となる。従って、直進波形は相関演算の演算結果におけるピークとなって表れる。判定部３２はこのピークを判定する。到達タイミングΔｔ＋は、サンプリング開始時間ｔ１からピークまでの時間として得られる。
【００４５】
図４（Ａ），（Ｂ）は直進波形（図１４の符号１７参照）のみが受信側の超音波プローブ２１Ａに到達し、ノイズ波形（図１４の符号１６，１８参照）が存在しない理想状態における下流側の超音波プローブ２１Ｂの受信波形を示す。図４（Ａ）が第１回目のサンプリングによる受信波形ｆ１を示し、図４（Ｂ）が第２回目のサンプリングによる受信波形ｆ２を示す。受信波形ｆ１，ｆ２とも、サンプリング開始から０．５ｍｓｅｃ後に下流側の超音波プローブ２１Ｂに到達している。これらの受信波形ｆ１，ｆ２について相関演算部３１が式（５）の相関演算を実行した結果を、図４（Ｃ）に示す。この図４（Ｃ）から明らかなように、相関演算の演算結果（相関関数）には０．５ｓｅｃに非常に明瞭なピーク４０が表れている。従って、判定部３２は到達タイミングΔｔ＋は０．５ｍｓｅｃであると判定する。図４（Ａ），（Ｂ）に示す受信波形ｆ１，ｆ２は理想状態における仮想の波形であるが、相関演算の演算結果から到達タイミングΔｔ＋が正確に判定できることが示されている。
【００４６】
続いて、ステップＳ３−５において、判定部３２から加算器３３に到達タイミングΔｔ＋が入力される。下記の式（６）に示すように、加算器３３によってサンプリング開始時間ｔ１に到達タイミングΔｔ＋が加算され、到達時間ｔ＋が算出される。
【００４７】
2005345362.tif 000008
【００４８】
ステップＳ３−６〜Ｓ３−１０は到達時間ｔ−を得るための処理である。これらの処理は、下流側の超音波プローブ２１Ｂが発信側、上流側の超音波プローブ２１Ａが受信側となる点を除いて、前記ステップＳ３−１〜Ｓ３−１０の到達時間ｔ＋を得るための処理と同様である。まず、ステップＳ３−６において、下流側の超音波プローブ２１Ｂから発信されて上流側の超音波プローブ２１Ａで受信される超音波の第１回目のサンプリングが実行される。次に、ステップＳ３−７において、下流側の超音波プローブ２１Ｂから発信されて上流側の超音波プローブ２１Ａで受信される超音波の第２回目のサンプリングが実行される。また、ステップＳ３−６で得られた受信波形（第２の受信波形）ｆ１とステップＳ３−７で得られた受信波形（第４の受信波形）ｆ２の相関演算が相関演算部３１により実行される（式（５）参照）。さらに、ステップＳ３−１０において、判定部３２が相関演算の結果に基づいて、到達タイミングΔｔ−を判定する。最後に、ステップＳ３−１０において、加算器３３が下記の式（７）の演算を実行することで、到達時間ｔ−が算出される。式（７）において、ｔ２は下流側の超音波プローブ２１Ｂが超音波を発信してから上流側の超音波プローブ２１Ａにより受信される超音波のサンプリングが開始されるまでの時間（サンプリング開始時間）である（通常はｔ１＝ｔ２である。）。
【００４９】
2005345362.tif 000009
【００５０】
ステップＳ３−１〜Ｓ３−５の到達時間ｔ＋を得るための処理と、ステップＳ３−６〜Ｓ３−１０の到達時間ｔ−を得るための処理は、いずれを先に実行してもよい。
【００５１】
ステップＳ３−１１において、流速計算部３４が超音波プローブ２１Ａ，２１Ｂを結ぶ仮想線（測線）での河川２０の流れ方向Ｆの平均流速Ｖｍを算出する。流速計算部３４には加算器３３から到達時間ｔ＋，ｔ−が入力され、下記の式（８）に基づいて平均流速Ｖｍが算出される。式（８）において記号Ｌは超音波プローブ２１Ａ，２１Ｂ間の距離である。
【００５２】
2005345362.tif 000010
【００５３】
次に、ステップＳ３−１２において、流量計算部３５が河川２０の流量Ｑを算出する。流量計算部３５には流速計算部３４から平均流速Ｖｍが入力され、下記の式（９）に基づいて流量Ｑが算出される。
【００５４】
2005345362.tif 000011
【００５５】
式（９）において、Ｋは補正係数、Ａは流れ方向Ｆと直交する方向での河川２０の平均断面積である。
【００５６】
図５（Ａ）は上流側の超音波プローブ２１Ａから発信されて下流側の超音波プローブ２１で受信された超音波の受信波形ｆ１，ｆ２の実例を示している。受信波形ｆ１，ｆ２のいずれについても直進波形（図１４の符号１６参照）にノイズ波形（図１４の符号１７，１８）が重畳されているため、波形中のどの部分が直進波形であるか明らかでない。これらの受信波形ｆ１，ｆ２について相関演算部３１が式（５）の相関演算を実行した結果を、図５（Ｂ）に示す。図５（Ｂ）における時間軸の原点はサンプリング開始時間ｔ１である。相関演算の演算結果には０．５ｍｓｅｃの時点に明瞭なピークが表れており、判定部３２は到達タイミングΔｔ＋は０．５ｍｓｅｃであると判定する。
【００５７】
以上のように、本実施形態では、相関演算部３１が超音波プローブ２１Ａ，２１Ｂ間の２回の受信波形ｆ１，ｆ２について式（５）で示す相関演算を実行し、それに基づいて判定部３２が到達タイミングΔｔ＋，Δｔ−を判定するので、外乱ノイズが相殺され、高精度かつ高い信頼性を持って超音波プローブ２１Ａ，２１Ｂ間の超音波の到達時間ｔ＋，ｔ−を測定することができる。従って、塩分濃度分布が著しい感潮河川や、温度分布が著しい河川合流点においても、超音波の到達時間、ひいては流量を高精度かつ高い信頼性を持って測定することができる。
【００５８】
（第２実施形態）
図６は本発明の第２実施形態に係る超音波式流量測定装置を示している。この超音波式流量測定装置は、超音波の発信波形と受信波形について相関演算を行うことにより、到達時間を測定する方式を採用している。
【００５９】
超音波式流量測定装置は、発信波形のサンプリングのための増幅器２７Ａ、Ａ／Ｄ変換器２８Ａ、サンプリング回路２９Ａ、及びメモリ３０Ａと、受信波形のサンプリングのための増幅器２７Ｂ、Ａ／Ｄ変換器２８Ｂ、サンプリング回路２９Ｂ、及びメモリ３０Ｂとを備えている。
【００６０】
次に、図７を参照して本実施形態の超音波式流量測定装置を使用した流量測定について説明する。
【００６１】
ステップＳ７−１〜Ｓ７−３は到達時間ｔ＋を得るための処理である。まず、ステップＳ７−１において、上流側の超音波プローブ２１Ａから発信された超音波の発信波形と、この超音波の下流側の超音波プローブ２１Ｂにおける受信波形のサンプリングを行う。パルス発生部２５から供給されるパルス信号により励起された上流側の超音波プローブ２１Ａが超音波を複数周期発信し、発信波形（第１の発信波形）Ｓ１が増幅器２７Ａ、Ａ／Ｄ変換器２８Ａ、を経てサンプリング回路２９Ａでサンプリングされ、メモリ３０Ａに記憶される。タイマ２６の計時は、上流側の超音波プローブ２１Ａによる超音波の発信と同時に開始される。また、上流側の超音波プローブ２１Ａによる超音波の発信と同時に、増幅器２７Ｂ、Ａ／Ｄ変換器２８Ｂ、及びサンプリング回路２９Ｂによる下流側の超音波プローブ２１の受信波形（第１の受信波形）Ｓ２のサンプリングが開始され、メモリ３０Ｂに記憶される。発信波形Ｓ１及び受信波形Ｓ２のサンプリングの終了時刻は、例えば超音波プローブ２１Ａ，２１Ｂ間の距離Ｌ、流速の可変範囲、水温等に基づいて予測される超音波プローブ２１Ａ，２１Ｂ間の超音波の到達時間と、メモリ３０の容量に基づいて決定される。
【００６２】
次に、ステップＳ７−２において、メモリ３０Ａに記憶された発信波形Ｓ１と、メモリ３０Ｂに記憶された受信波形Ｓ２とが相関演算部３１に入力され、これらの波形Ｓ１，Ｓ２に対して下記の式（１０）に示す相関演算が実行される。この相関演算の結果は、判定部３２に出力される。
【００６３】
2005345362.tif 000012
【００６４】
次に、ステップＳ７−３において、判定部３２が到達時間ｔ＋を判定する。発信波形Ｓ１と受信波形Ｓ２に含まれる波形のうち、直進波形は強い相関を示すが、ノイズ波形は弱い相関となるので、直進波形は相関演算の演算結果におけるピークとなって表れる。判定部３２はこのピークを判定する。第１実施形態では超音波が発信された後、サンプリング開始時間ｔ１，ｔ２に受信波形のサンプリングが開始されているので、相関演算の演算結果のピークは到達タイミングΔｔ＋，Δｔ−であり、これらにサンプリング開始時間ｔ１，ｔ２を加算することで到達時間ｔ＋，ｔ−が得られる。これに対して本実施形態では、超音波の発信と同時に発信波形Ｓ１及び受信波形Ｓ２のサンプリングを開始しているので、相関演算の演算結果のピークは到達時間ｔ＋，ｔ−そのものである。
【００６５】
ステップＳ７−４〜Ｓ７−６は到達時間ｔ−を得るための処理である。これらの処理は下流側の超音波プローブ２１Ｂが発信側、上流側の超音波プローブ２１Ａが受信側となる点を除いて、前記ステップＳ７−１〜Ｓ７−３の到達時間ｔ＋を得るための処理と同様である。まず、ステップＳ７−４において、下流側の超音波プローブ２１Ｂから発信された超音波の発信波形と、この超音波の上流側の超音波プローブ２１Ａにおける受信波形のサンプリングが実行される。次に、ステップＳ７−５において、発信波形（第２の発信波形）Ｓ１と受信波形（第２の受信波形）Ｓ２の相関演算が相関演算部３１により実行される（式（１０）参照）。さらに、ステップＳ７−６において、判定部３２が相関演算の結果に基づいて、到達時間ｔ−を判定する。
【００６６】
到達時間ｔ＋，ｔ−が得られた後、ステップＳ７−７において流速計算部３４が前述の式（８）により平均流速Ｖｍを算出し、ステップＳ７−８において流量計算部３５が前述の式（９）により流量Ｑを算出する。
【００６７】
図８（Ａ）は上流側の超音波プローブ２１Ａから発信された超音波の発信波形Ｓ１と、この超音波の下流側の超音波プローブ２１Ｂによる受信波形Ｓ２の実例を示している。受信波形Ｓ１は振幅が均一な明瞭な波形を有するが、受信波形Ｓ２はノイズ波形（図１４の符号１７，１８参照）の重畳により、直進波形（図１４の符号１６参照）が明確でない。これらの波形Ｓ１，Ｓ２について相関演算部３１が式（１０）の相関演算を実行した結果を図８（Ｂ）に示す。図８（Ｂ）における時間軸の原点は超音波プローブ２１Ａが超音波を発信した時点（発信波形Ｓ１及び受信波形Ｓ２のサンプリングを開始した時点）である。相関演算の演算結果には０．３ｍｓｅｃの時点に明瞭なピーク４０が表れており、判定部３２は到達時間ｔ＋は０．３ｍｓｅであると判定する。
【００６８】
第２実施形態のその他構成及び作用は第１実施形態と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００６９】
（第３実施形態）
図９は本発明の第３実施形態に係る超音波式流量測定装置を示している。この超音波式流量測定装置は、超音波の発信波形Ｓ'２と比較用波形Ｓ'１について相関演算を行うことにより、超音波の到達時間を測定する方式を採用している。超音波式流量測定装置は、それぞれ上流側の超音波プローブ２１Ａの出力波形と下流側の超音波プローブ２１Ｂの出力波形に対応する２種類の比較用波形Ｓ'１を予め記憶した比較用波形記憶部４１を備えている。
【００７０】
図１０を参照すると、ステップＳ１０−１〜Ｓ１０−３は到達時間ｔ＋を得るための処理である。ステップＳ１０−１において、上流側の超音波プローブ２１Ａから発信されて下流側の超音波プローブ２１Ｂで受信される超音波の受信波形（第１の受信波形）Ｓ'2がサンプリングされ、メモリ３０に記憶される。次に、ステップＳ１０−２におい、相関演算部３１が受信波形Ｓ'2と比較用波形Ｓ'1に対して下記の式（１１）に示す相関演算を実行する。この相関演算の結果は、判定部３２に出力される。
【００７１】
2005345362.tif 000013
【００７２】
次に、ステップＳ１０−３において、判定部３２が受信波形Ｓ'2と比較用波形Ｓ'1に含まれる波形のうち、直進波形は強い相関を示すが、ノイズ波形は弱い相関となるので、直進波形は相関演算の演算結果におけるピークとなって表れる。判定部３２はこのピークを到達時間ｔ＋として判定する。
【００７３】
ステップＳ１０−４〜Ｓ１０−６は到達時間ｔ−を得るための処理である。これらの処理は下流側の超音波プローブ２１Ｂが発信側、上流側の超音波プローブ２１Ａが受信側となる点を除いて、前記ステップＳ１０−１〜Ｓ１０−３の到達時間ｔ＋を得るための処理と同様である。
【００７４】
到達時間ｔ＋，ｔ−が得られた後、ステップＳ１０−７において流速計算部３４が前述の式（８）により平均流速Ｖｍを算出し、ステップＳ１０−８において流量計算部３５が前述の式（９）により流量Ｑを算出する。
【００７５】
第３実施形態のその他構成及び作用は第１実施形態と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る超音波式流量測定装置を示す概略的な平面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る超音波式流量測定装置を示す流れ方向と直交する方向での概略的な断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係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４】（Ａ）は第１の受信波形の一例を示す波形図、（Ｂ）は第２の受信波形の一例を示す波形図、（Ｃ）は（Ａ）及び（Ｂ）の受信波形の相関を示す波形図である。
【図５】（Ａ）は第１及び第２の受信波形の一例を示す波形図、（Ｂ）は（Ａ）の受信波形の相関を示す波形図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る超音波式流量測定装置を示す概略的な平面図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係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８】（Ａ）は発信波形と受信波形の一例を示す波形図、（Ｂ）は（Ａ）の発信波形と受信波形の相関を示す波形図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係る超音波式流量測定装置を示す概略的な平面図である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係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１１】従来の超音波式流量測定装置を示す概略的な平面図である。
【図１２】塩水濃度の分布を説明するための概略図である。
【図１３】超音波プローブの出力の指向性を説明するための概略図である。
【図１４】直進波形とそれに重畳される波形の関係を説明するための概略図である。
【符号の説明】
【００７７】
２０  河川
２１Ａ，２１Ｂ  超音波プローブ
２３  処理装置
２５  パルス発生部
２６  タイマ
２７，２７Ａ，２７Ｂ  増幅器
２８，２８Ａ，２８Ｂ  Ａ／Ｄ変換器
２９，２９Ａ，２９Ｂ  サンプリング回路
３０，３０Ａ，３０Ｂ  メモリ
３０ａ  第１領域
３０ｂ  第２領域
３１  相関演算部
３２  判定部
３３  加算器
３４  流速計算部
３５  流量計算部
３６  制御部
４０  ピーク
４１  比較用波形記憶部
Ｆ  流れ方向
Ｌ  距離
θ  流れ方向に対する角度
【図１】
2005345362.tif 000017
【図２】
2005345362.tif 000018
【図３】
2005345362.tif 000019
【図４】
2005345362.tif 000020
【図５】
2005345362.tif 000021
【図６】
2005345362.tif 000022
【図７】
2005345362.tif 000023
【図８】
2005345362.tif 000024
【図９】
2005345362.tif 000025
【図１０】
2005345362.tif 000026
【図１１】
2005345362.tif 000027
【図１２】
2005345362.tif 000028
【図１３】
2005345362.tif 000029
【図１４】
2005345362.tif 000030