(57)【要約】【課題】コスト的に有利で且つ測定の信頼性が高いセンサ構造体を提供する【解決手段】センサ構造体１０１は、例えばステンレススチールよりなる球状体１を中心として構成され、その赤道上の表面に圧力センサ３ａ〜３ｄがその中心から９０度の間隔で取り付けられている。又、その上方側、即ち北極側には球状体１を支持するための中空柱状の支持体２が取り付けられている。更に、球状体１の下方側、即ち南極側には、圧力センサ３ａ〜３ｄと同様の圧力センサ３ｅが取り付けられている。圧力センサ３ａ〜３ｅの各々は感圧ゴムセンサにより構成されている。球状体１周りの圧力は流体及び流速によって異なった分布をしており、この分布はその流体のレイノルズ数に依存している。したがって、複数の位置での測定した圧力から該当する分布に対応するレイノルズ数を決定し、流速を算出する。【選択図】      図１
2007093321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流速を測定するためのセンサ構造体であって、
球形状を有する球状体と、
前記球状体の赤道上に取り付けられ、その位置における前記流体の圧力を測定し得る少なくとも２個の圧力センサと、
前記球状体の前記流体の流れに対する姿勢を所望の位置に固定する固定手段とを備えた、センサ構造体。
【請求項２】
流体の流速を測定するためのセンサ構造体であって、
球形状を有する球状体と、
前記球状体の赤道上に取り付けられ、その位置における前記流体の圧力を測定し得る少なくとも３個の圧力センサとを備えた、センサ構造体。
【請求項３】
前記球状体に組み込まれた三次元加速度センサを更に備えた、請求項２記載のセンサ構造体。
【請求項４】
流体の流速を測定するためのセンサ構造体であって、
球形状を有する球状体と、
前記球状体の赤道上に取り付けられ、その位置における前記流体の圧力を測定し得る少なくとも１個の圧力センサと、
前記球状体の北極と南極とを通る方向を回転軸として前記球状体を回転させる回転手段とを備えた、センサ構造体。
【請求項５】
流体の流速を測定するためのセンサ構造体であって、
円柱形状を有する円柱体と、
前記円柱体の長手軸方向に対して直交する断面上に現れる周壁の位置であって、流れに対して非対称の位置に取り付けられ、その位置における前記流体の圧力を測定し得る少なくとも２個の圧力センサとを備えた、センサ構造体。
【請求項６】
前記圧力センサの表面は、センサホルダによって覆われ、
前記センサホルダは、
周囲の取り付け面に整列するホルダ本体と、
前記ホルダの中央に形成され、外面と連通する開口と、
前記開口に接続されると共に前記圧力センサに面し、前記開口の径より大きな径を有する流体淀み部を含む、請求項１から請求項５のいずれかに記載のセンサ構造体。
【請求項７】
前記センサホルダは、前記流体淀み部に接続されると共に所望の流体を前記流体淀み部に噴出することができる流体噴出孔を更に含む、請求項６記載のセンサ構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はセンサ構造体に関し、特に流体中に設置することによって流速等を測定するためのセンサ構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
河川における水流量の検知及び監視は、近年の災害の多発によってその必要性が増大している。通常、従来の河川の流量検知・監視技術は、河川に浮子を浮かべ、これが一定の距離を流れるのに要する時間を測る、「浮子法」によって観測を行っている。しかし、「浮子法」では、１）専門観測員確保の困難、２）洪水等に対して観測員到着の遅れが生じることによる緊急対処の遅延・困難、３）連続的観測の困難、及び４）誤差の可能性、等の多くの問題が存在する。
【０００３】
とりわけ近年の災害においては、かってないほど集中豪雨が多発し、河川が氾濫するまでの時間が短くなっており、リアルタイム情報がますます必要となっている。現在，国土交通省や都道府県ではテレメータを使い、雨量と水位はリアルタイムの観測を公開しているが、河川下流の氾濫は上流での流量が大きく影響しており、リアルタイムの流量・流速計測が非常に重要となってきている。
【０００４】
このため特許文献1から特許文献3に示されているように、各種の非接触型流量計の開発が進められている。
【０００５】
【特許文献１】特許公開２００４−１１７１１９
【特許文献２】特許公開２００３−３４４０４９
【特許文献３】特許公開２０００−１１１３７５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１にあっては、ビデオカメラと水位計を用いて河川の表面水流の画像信号と水位データを解析して表面流速や流量を計測する方法であるが、夜間時等の撮影で画像が不鮮明なときには正確に測定できない。
【０００７】
特許文献２にあっては、河川の段差のある部分をテレビカメラで下流側から撮影し、デジタル処理して段差の高い側の水位と流量を求める方法であるが、特許文献１と同じような問題点がある。
【０００８】
特許文献３にあっては、音響ドップラー流速計、水位計及び河床形状を計測する音響測深器によって、流速、水位、川床位を同時に計測して流量を連続計測する方法である。ドップラー効果による流速計測は、大量降雨時には浮遊土砂、気泡などによって音波が減衰して測定不能になるという問題がある。
【０００９】
さらに上記いずれの方法も費用が高く、１台数千万円かかるといわれ、全国多数の河川に適用するにはコスト上に問題がある。
【００１０】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、コスト的に有利で且つ測定の信頼性が高いセンサ構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、請求項１記載の発明は、流体の流速を測定するためのセンサ構造体であって、球形状を有する球状体と、球状体の赤道上に取り付けられ、その位置における流体の圧力を測定し得る少なくとも２個の圧力センサと、球状体の流体の流れに対する姿勢を所望の位置に固定する固定手段とを備えたものである。
【００１２】
このように構成すると、球状体の赤道上の流れに対して非対称で且つ異なった位置における圧力が測定される。
【００１３】
請求項２記載の発明は、流体の流速を測定するためのセンサ構造体であって、球形状を有する球状体と、球状体の赤道上に取り付けられ、その位置における前記流体の圧力を測定し得る少なくとも３個の圧力センサとを備えたものである。
【００１４】
このように構成すると、球状体の赤道上の異なった３点の位置における圧力が測定される。
【００１５】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明の構成において、球状体に組み込まれた三次元加速度センサを更に備えたものである。
【００１６】
このように構成すると、球状体の絶対位置が判別される。
【００１７】
請求項４記載の発明は、流体の流速を測定するためのセンサ構造体であって、球形状を有する球状体と、球状体の赤道上に取り付けられ、その位置における流体の圧力を測定し得る少なくとも１個の圧力センサと、球状体の北極と南極とを通る方向を回転軸として球状体を回転させる回転手段とを備えたものである。
【００１８】
このように構成すると、一つの圧力センサによって球状体の赤道上の所望の異なった位置における圧力が測定される。
【００１９】
請求項５記載の発明は、流体の流速を測定するためのセンサ構造体であって、円柱形状を有する円柱体と、円柱体の長手軸方向に対して直交する断面上に現れる周壁の位置であって、流れに対して非対称の位置に取り付けられ、その位置における流体の圧力を測定し得る少なくとも２個の圧力センサとを備えたものである。
【００２０】
このように構成すると、円柱体の特定の周壁上の流れに対して非対称で且つ異なった位置における圧力が測定される。
【００２１】
請求項６記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の発明の構成において、圧力センサの表面は、センサホルダによって覆われ、センサホルダは、周囲の取り付け面に整列するホルダ本体と、センサホルダの中央に形成され、外面と連通する開口と、開口に接続されると共に前記圧力センサに面し、開口の径より大きな径を有する流体淀み部を含むものである。
【００２２】
このように構成すると、流速の変化による圧力センサの検知圧力への影響度が低減する。
【００２３】
請求項７記載の発明は、請求項６記載の発明の構成において、センサホルダは、流体淀み部に接続されると共に所望の流体を流体淀み部に噴出することができる流体噴出孔を更に含むものである。
【００２４】
このように構成すると、所望の流体を流体淀み部に対して噴射することができる。
【発明の効果】
【００２５】
以上説明したように、請求項１記載の発明は、球状体の赤道上の流れに対して非対称で且つ異なった位置における圧力が測定されるので、球状体を流れに対して所定の位置に固定して非対称の位置の２つの圧力を得ると、流体の種類に基づくレイノルズ数が決定される。このレイノルズ数から流速が算出される。
【００２６】
請求項２記載の発明は、球状体の赤道上の異なった３点の位置における圧力が測定されるので、球状体の姿勢にかかわらず流体の種類に基づくレイノルズ数が決定され、流速が算出されると共に球状体に対する流れの方向が判別される。
【００２７】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明の効果に加えて、球状体の絶対位置が判別されるので、球状体に対する流れの方向を加味することによって基準方向に対する流体の流れ方向が判別される。
【００２８】
請求項４記載の発明は、一つの圧力センサによって球状体の赤道上の所望の異なった位置における圧力が測定されるので、測定された複数の圧力から流体の種類に基づくレイノルズ数が決定される。このレイノルズ数から流速が算出される。又、圧力センサの数が少なくても済むのでコスト的に有利なセンサ構造体となる。
【００２９】
請求項５記載の発明は、円柱体の特定の周壁上の流れに対して非対称で且つ異なった位置における圧力が測定されるので、流体の種類に基づくレイノルズ数が決定される。このレイノルズ数から流速が算出される。
【００３０】
請求項６記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の発明の効果に加えて、流速の変化による圧力センサの検知圧力への影響度が低減するので、圧力センサの検知精度が向上すると共に検知出力が安定する。
【００３１】
請求項７記載の発明は、請求項６記載の発明の効果に加えて、所望の流体を流体淀み部に対して噴射することができるので、開口や流体淀み部に異物が入ったような場合、これを取り除くことができるためセンサ構造体の信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
図１はこの発明の第１の実施の形態によるセンサ構造体の外観形状を示す斜視図であり、図２は図1のＩＩ−ＩＩラインの断面図である。
【００３３】
これらの図を参照して、センサ構造体１０１は、例えばステンレススチールよりなる球状体１を中心として構成され、その赤道上の表面に圧力センサ３ａ〜３ｄがその中心から互いに９０度の間隔で取り付けられている。又、その上方側、即ち北極側には球状体１を支持するための中空柱状の支持体２が取り付けられている。更に、球状体１の下方側、即ち南極側には、圧力センサ３ａ〜３ｄと同様の圧力センサ３ｅが取り付けられている。
【００３４】
圧力センサ３ａ〜３ｅの各々は感圧ゴムセンサを検知手段として構成されている。感圧ゴムセンサは、柔らかいゴムの中へ導電性物質及び強化素材をナノサイズに均一に分散複合化したものである。流体からの外力によって当該ゴムが加圧変形すると、内部導電物質の連結状態が変化して電気抵抗変化を示すことを利用して圧力を計測するものである。
【００３５】
又、球状体１の中心には、三次元加速度センサ４が取付けられている。このセンサ４の出力によって、センサ構造体１０１の初期の設置位置及び設置方向に基づく絶対位置及び絶対的方向が検出される。したがって、センサ構造体１０１が特定の場所に固定されていないような使用状態であっても、センサ構造体１０１の絶対位置が把握できる。その結果、センサ構造体１０１の周囲を流れる流体の流速方向のみならず流れの方向の絶対的方向も正しく検出することが可能となる。
【００３６】
尚、支持体２は、球状体１を支持するのみならず、圧力センサ３ａ〜３ｅや三次元加速度センサ４からの出力を外部に伝達するための導線等がその内部に収容されている。
【００３７】
図３は図２で示された“Ｘ”部分の拡大図である。
【００３８】
図を参照して、球状体１の表面からその中心まで到達する開口が形成され、その表面側にＯリング９を介してセンサ前カバー５が防水状態に取り付けられる。センサ前カバー５の内面側には  ロッドガイド６が取り付けられ、センサ前カバー５とロッドガイド６との間には防水ゴム１１が設置される。防水ゴム１１の中央にはセンサロッド１０が取り付けられ、ロッドガイド６に対して摺動自在となるように構成されている。
【００３９】
センサロッド１０の内部側の端部はフランジ形状となっており、その外方側とロッドガイド６の内面側との間には負圧用の感圧ゴムセンサ１４が装着されている。ロッドガイド６の内方側にはセンサハウジング７が取り付けられており、センサハウジング７は複数の締付けねじ８によってロッドガイド６を通してセンサ前カバー５にねじこまれ、これらは一体化されている。
【００４０】
センサハウジング７の中央部を貫通するようにセンサ調整ロッド１２が取り付けられている。センサ調整ロッド１２の外方側はフランジ状に形成されており、その外面とセンサロッド１０の内面側との間には正圧用の感圧ゴムセンサ１３が装着されている。
【００４１】
使用状態にあっては、球状体１の外面に負圧が生じたときセンサロッド１０は図においては右側に移動し、その結果、感圧ゴムセンサ１４を圧縮することになる。この圧縮度合いを測定することによって負圧を測定することができる。一方、球状体１の外面に正圧が生じたときセンサロッド１０は図においては左側に移動し、その結果、感圧ゴムセンサ１３を圧縮することになる。この圧縮度合いを測定することによって正圧を測定することができる。
【００４２】
尚、センサ調整ロッド１２を調整することによって、測定前の感圧ゴムセンサ１３及び感圧ゴムセンサ１４の圧縮度合いを所望の値に調整することができる。
【００４３】
図４は図１に示したセンサ構造体を流体中に設置し、その上方から見た図である。
【００４４】
図を参照して、圧力センサ３ａ〜３ｄは球状体１の赤道上に配置されており、圧力センサ３ａが球状体１の前部岐点に位置するいわゆる正対状態に設置されている。又、この実施の形態にあっては流体は赤道面に平行な流れを前提としている。
【００４５】
図５は図４の状態において、所定のレイノルズ数（１．６２×１０５）に設定した流体中で静止状態に設置された球状体１の赤道上に実際に現れる実験上の圧力分布を示した概略図である（実験例Ａ）。
【００４６】
図を参照して、この圧力分布は静圧による影響を除外しており、動圧のみよるものを記載している。ここでＵ∞は流速を表し、ρは流体の密度を表し、Ｐは球状体の表面に実際に現れる圧力を表し、Ｐ∞は球状体の表面に加わる静圧を表す。したがって、（Ｐ−Ｐ∞）は球状体の表面に実際に現れる動圧を表すことになる。
【００４７】
又、図においては、動圧の圧力分布を、球状体１の前部岐点における圧力係数を１とする係数Ｃpで表している。
【００４８】
臨界レイノルズ数前後のあるレイノルズ数のとき、球表面に沿う圧力分布は、静圧を除いた状態にあっては、球体の流れの前方では、正（＋）の圧力が発生するが、球の前方からの角度４０数度から負（−）の圧力となり、それ以降も負圧力となって図に示すような圧力分布となる。このような実験データから球の表面の非対称の複数の個所の圧力から圧力分布が判明すると、センサ構造体が設置されている流体の流速、圧力及び流れの方向を算出することが可能となる。
【００４９】
図６は図４の状態において、他のレイノルズ数（３．１８×１０５）に設定した流体中で静止状態に設置された球状体の赤道上に実際に現れる実験上の圧力分布を示した概略図である（実験例Ｂ）。又、図においても、動圧の圧力分布を、球状体１の前部岐点における圧力係数を１とする係数Ｃpで表している。
【００５０】
図７は図４の状態において、更に他のレイノルズ数（１．１４×１０６）に設定した流体中において静止状態に設置された球状体の赤道上に実際に現れる実験上の圧力分布を示した概略図である（実験例Ｃ）。又、図においても、動圧の圧力分布を、球状体１の前部岐点における圧力係数を１とする係数Ｃpで表している。
【００５１】
次にこの発明の第１の実施の形態によるセンサ構造体を用いた流速の算出方法について説明する。
【００５２】
まず、センサ構造体１０１が流れに対して正対状態に設置されている場合について説明する。流体の種類及び流速を仮定して得られた例えば図５から図７の実験例から、図４に示す圧力センサ３ａと圧力センサ３ｂの取付位置に相当するＡ点及びＢ点における圧力比Ｐｃはレイノルズ数によって相違していることが判明する。一方、流体中に設置されたセンサ構造体１０１は、その正対状態から圧力センサ３ａと圧力センサ３ｂの出力がＡ点及びＢ点の圧力に相当する。したがって、これらの圧力を取得し、この圧力比Ｐｃを算出する。
【００５３】
次に、この圧力比Ｐｃがどの実験例の圧力比に相当するか、即ち該当するレイノルズ数を見出す。レイノルズ数が決定すると、流体の動粘性係数及び球状体１の直径から流速を算出することができる。
【００５４】
この時、合致するレイノルズ数がない場合、近くのレイノルズ数を基としてその数値を順に増加、又は減少させ、変化させたレイノルズ数における圧力比Ｐｃを算出して実測例と比較する。これを繰り返すことによって実測例に合致するレイノルズ数を見出す。見出されたレイノルズ数に基づいて、流体の動粘性係数及び球状体１の直径から流速を算出することができる。
【００５５】
したがって、センサ球状体が流れに正対している状態で設置している事が判明している場合は、圧力センサはその圧力比がレイノルズ数によって異なる値を示す位置に取り付けられるものであれば、少なくとも２箇所あれば良いことになる。
【００５６】
次に、センサ構造体１０１が流れに対して正対状態に設置されていない場合について説明する。
【００５７】
図８はこのような状態における圧力センサの赤道面における測定位置を示した図である。
【００５８】
図を参照して、この例においてはセンサ構造体１０１が反時計方向周りに角度αだけ回転している状態が示されている。即ち、圧力センサ３ａは前部岐点の圧力Ｐ０の代わりに圧力Ｐ０αを出力し、圧力センサ３ｄは圧力Ｐ１の代わりに圧力Ｐ１αを出力し、圧力センサ３ｂは圧力Ｐ２の代わりに圧力Ｐ２αを出力する。
【００５９】
図９は縦軸に図８に示されている圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２から算出される圧力差（Ｐ１−Ｐ２）を採り、横軸に流れに対するセンサ構造体の変位角度を採ったものである。即ち、センサ構造体１０１の正対位置から反時計方向に回転させ、その状態で得られた圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２の差を変位角度毎にプロットしたものである。そして、このプロットを上記の実験例、即ち異なったレイノルズ数毎に行っている。図からこの圧力差は各レイノルズ数に応じて異なった曲線になることが判明する。
【００６０】
次に実際に測定した圧力センサ３ｄから出力された圧力Ｐ１αと圧力センサ３ｂから出力された圧力Ｐ２αとの差を算出する。この差を基に各レイノルズ数毎の曲線との交点からこの例であれば変位角度を３個算出する。この段階では、正しいレイノルズ数が判明せず変位角度の候補が３個存在することになる。
【００６１】
図１０は縦軸に図８に示されている圧力Ｐ０及び圧力Ｐ１から算出される圧力差（Ｐ０−Ｐ１）を採り、横軸に流れに対するセンサ構造体の変位角度を採ったものである。即ち、センサ構造体１０１の正対位置から反時計方向に回転させ、その状態で得られた圧力Ｐ０及び圧力Ｐ１の差を変位角度毎にプロットしたものである。そして、このプロットを上記の実験例、即ちレイノルズ数毎に行っている。図からこの圧力差も各レイノルズ数に応じて異なった曲線になることが判明する。
【００６２】
そこで、実際に測定した圧力センサ３ａから出力された圧力Ｐ０αと圧力センサ３ｄから出力された圧力Ｐ１αとの差を算出する。そしてこの差と上記で算出した３個の変位角度との交点を通る実験例、即ち上記実測例に合致するレイノルズ数を決定する。決定されたレイノルズ数に基づいて、流体の動粘性係数及び球状体１の直径から流速と正しい変位角度αを算出することができる。
【００６３】
尚、出力された値が実験結果の中間値にあるような場合は、近いレイノルズ数を基準としてその値を増減して繰り返して計算すればよい。そして、最終的に実測例と合致するレイノルズ数を見出し、流速等を算出する。
【００６４】
図１１はこの発明の第２の実施の形態によるセンサ構造体の外観形状を示す斜視図である。
【００６５】
図を参照して、センサ構造体１０１は、垂直方向に延びる一対の支持体１２１ａ及び１２１ｂの間に取り付けられた水平方向に延びる円柱体１２０と、円柱体１２０の長手軸方向に対して直交する断面上に現れる複数の周壁の表面に取り付けられた複数の圧力センサ３とから構成されている。圧力センサ３の構造は先の第１の実施の形態によるものと同様である。
【００６６】
この実施の形態にあっても球状体と同様に円柱体１２０の表面に生じる圧力分布が、流体の性質及び流速から定まることになる、したがって、各圧力センサ３の出力から流速を測定することが可能となる。尚、この実施の形態では圧力センサ３が円柱体１２０の長手軸方向に複数列設置されているが、圧力センサ３は単列に設置されていても良い。
【００６７】
又、この実施の形態にあっては、各列毎に流れに非対称の位置に２箇の圧力センサ３が取り付けられているが、３個以上であればその位置は同一周壁上のどの位置であっても良い。
【００６８】
図１２はこの発明の第３の実施の形態によるセンサ構造体の外観形状を示す斜視図である。
【００６９】
図を参照して、センサ構造体１０１は、垂直方向に延びる円柱体１２３と、その各周壁の表面に取り付けられた複数の圧力センサ３とから構成されている。圧力センサ３の構造は先の第１の実施の形態によるものと同様である。
【００７０】
この実施の形態にあっても球状体と同様に円柱体１２３の表面に生じる圧力分布が、流体の性質及び流速から定まることになる、したがって、各圧力センサ３の出力から流速を測定することが可能となる。尚、この実施の形態では圧力センサ３が円柱体１２３の長手軸方向に複数列設置されているが、圧力センサ３は単列でも良い。
【００７１】
又、この実施の形態にあっては、各列毎に流れに非対称の位置に２箇の圧力センサ３が取り付けられているが、３個以上であればその位置は同一周壁上のどの位置であっても良い。
【００７２】
尚、このセンサ構造体１０１を例えば河川中に垂直に設置するときには、圧力センサ３の各々が水と接触しているかどうかも検知することが可能となる。したがって、圧力センサ３の各々の垂直方向の絶対位置を前もって定めておけば、流速の検知と共に水位の検知も可能となる。
【００７３】
図１３はこの発明の第４の実施の形態によるセンサ構造体の外観形状を示す斜視図である。
【００７４】
図を参照して、センサ構造体１０１は、垂直方向に且つ互いに平行延びる一対の垂直板２５ａ及び２５ｂと、その下端に掛け渡されるように取り付けられた水平方向に延びる水平板２６と、垂直板２５ａ及び２５ｂ並びに水平板２６の内面側に取り付けられた複数の圧力センサ３とから構成されている。圧力センサ３の構造は先の第１の実施の形態によるものと同様である。
【００７５】
この実施の形態にあっても球状体や円柱体と同様にその表面に生じる圧力分布が、流体の性質及び流速から定まることになる、したがって、各圧力センサ３の出力から流速を測定することが可能となる。又、垂直板２５ａ及び２５ｂに取り付けられている圧力センサ３の各々が水と接触しているかどうかも検知することが可能となる。したがって、これらの圧力センサ３の各々の垂直方向の絶対位置を前もって定めておけば、流速の検知と共に水位の検知も可能となる。
【００７６】
図１４は、先の第１の実施の形態によるセンサ構造体の取り付け状況を示した概略図である。
【００７７】
図を参照して、球状体１から突き出る支持体２が鉛直上方に伸び、これにフランジを介して鋼管等からなる固定体１６が接続されている。固定体１６は後述するように例えば橋体等に取り付けるものである。
【００７８】
このような取り付け状態にあっては、センサ構造体１０１の真上部分に固定部２が位置するため、球状体１の真上部分の圧力データを検知することはできないが、左右及び底部に設置された感圧センサ３によって流速算出に必要な圧力データを得ることができる。
【００７９】
図１５は先の第１の実施の形態によるセンサ構造体の他の取り付け状況を示した概略図である。
【００８０】
図を参照して、球状体１から突き出る支持体２が水平後方に伸びた後上方に屈曲し、これにフランジを介して上下に延びる鋼管等からなる固定体１６が接続されている。固定体１６は後述するように例えば橋体等に取り付けるものである。
【００８１】
このような取り付け状態にあっては、センサ構造体１０１の真後ろ部分に固定部２があるため球状体１の真後ろ部分の圧力データを検知することはできないが、その他の部分は流れに対して対称状態にあるので正確な圧力検知が可能である。尚、固定部１６等の垂直部分の球状体１からの距離は、流れの乱れを招かぬように球状体１の直径の５倍程度とすることが好ましい。
【００８２】
図１６は図１４に示したセンサ構造体を、河川の流速検知に応用した例を示す図であり、図１７は図１６のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩラインから見た図である。
【００８３】
これらの図を参照して、センサ構造体１０１は、固定体１６を介して橋梁２８に固定された昇降装置１５に取り付けられている。センサ構造体１０１の設置位置は、河川４６のあまり流れの乱れのない部分を選び、水流の圧力等の検出を行なう。設計仕様を超えた洪水等の異常な状態においては、昇降装置１５を作動させ、センサ構造体１０１を水面上に上昇させてこれを保護する。
【００８４】
尚、図ではセンサ構造体を橋の下流側に設置してある例を示すが、上流側に設置してもよい。又、昇降させる代わりにセンサ構造体１０１を下流側に跳ね上げるように構成しても良い。
【００８５】
図１８図は１４に示したセンサ構造体を、河川の流速検知に応用した他の例を示す図であり、図１９は図１８のＸＩＸ−ＸＩＸラインから見た図である。
【００８６】
これらの図を参照して、センサ構造体１０１は完全に固定せずに取付けられている。ワイヤロープ２１ａ及び２１ｂは、川岸４７ａ及び４７ｂに設置されているロ−プ固定装置２２ａ及び２２ｂと川底３３側に設置されているロープ固定装置２３との間に張られ、そのワイヤロープ２１ａ及び２１ｂの途中から鋼材等の剛体１２４ａ及び１２４ｂを介して所望の深さの位置にセンサ構造体１０１が設置される。
【００８７】
センサ構造体１０１には前述のように三次元加速度センサが組込まれているので、センサ構造体１０１自体が移動しても三次元加速度センサからその絶対位置が検出される。そして、その絶対位置を基にセンサ構造体１０１の圧力センサからのリアルタイムのデータを演算処理することによって，流速、水圧及び流れの方向を検出することができる。
【００８８】
尚、この例では川岸４７ａ及び４７ｂ側のロープ固定装置２２ａ及び２２ｂを２箇所設置したが、この装置を１箇所に設置し、一本のワイヤロープをその位置から斜めに反対側の岸に近い川底３３に渡し、このワイヤロープに剛体を介してセンサ構造体を取り付けても良い。
【００８９】
図２０は図１４に示したセンサ構造体を、河川の流速検知に応用した更に他の例を示す図であり、図２１は図２０のＸＸＩ−ＸＸＩラインから見た図である。
【００９０】
これらの図を参照して、センサ構造体１０１は河川４６に浮かべた浮体２４の下面に取付けられている。ワイヤロープ２１ａは一方が川岸４７ａ側に設置されているロープ固定装置２２に連結され、他方が浮体２４に連結されている。同様に、ワイヤロープ２１ｂは一方が反対の川岸４７ｂ側に設置されているロープ固定装置２２ｂに連結され、他方が浮体２４に連結されている。
【００９１】
浮体２４の下方にはセンサ構造体１０１が取り付けられていて、例えば河川４６の平均流速に近い水深の６割程度の位置等の所望の水深位置に設置される。センサ構造体１０１は流れの影響を受け，若干前後左右に移動するが，前述のようにセンサ構造体１０１に組み込まれている三次元加速度センサの働きにより正しいデータを得ることができる。
【００９２】
図２２は図１４に示したセンサ構造体を、河川の流速検知に応用した更に他の例を示す図である。
【００９３】
図を参照して、センサ構造体１０１は浮体２４の下方に取り付けられ、浮体２４を河川４６に流しながらセンサ構造体１０１によって流速等が測定されている。この方法は浮体２４が流される二点間の距離が判っている箇所で行われる。センサ構造体１０１には時計機能が組み込まれているので、二点間の通過する時間から河川４６の水面流速が得られる。この水面の流速から河川４６の平均流速が計算される。一方、センサ構造体１０１から、その水深における相対流速が測定できるので、浮体２４の移動によって得られる水面流速とこの相対流速とからセンサ構造体１０１の位置における絶対的な流速を算出することも可能となる。
【００９４】
尚、浮体２４には電池装置を搭載しておき、センサ構造体１０１で得られた圧力データを無線で河川の現場管理センタへ転送しても良い。あるいは浮体２４には回収用のロープを接続しておく必要があるので、このロープを利用して浮体２４へキャブタイヤケーブルを配置して電源を供給し、有線で測定データをセンサ構造体１０１から転送する方式をとっても良い。
【００９５】
図２３は図１４に示したセンサ構造体を、河川、湖、海洋等の流速検知に応用した更に他の例を示す図である。
【００９６】
図を参照して、船から河川の場合よりもかなり海洋４８の深い位置にセンサ構造体１をキャブタイヤケーブル２７で吊り下げ、三次元加速度センサと圧力センサとの組合せによって流速と流れの方向とを検知することが可能である。このような測定を行うと、海峡を結ぶ橋梁の建設工事や海洋構造物の敷設，海底電線の敷設工事，海底資源の探索等に大いに役に立つ。
【００９７】
又、センサ構造体１０１に温度センサを同時に組込むと、海洋４８中の潮の流速，方向，温度情報を船舶３１上にてリアルタイムで正しく検知することが可能である。その結果、漁業資源の観測や予測、魚群の観測、赤潮の発生予測と回避等に寄与することができる。
【００９８】
図２４はこの発明の第５の実施の形態によるセンサ構造体の外観形状を示す側面図である。
【００９９】
図を参照して、センサ構造体１０１は球状体１の外表面に圧力センサ３が設けられている点は先の各実施の形態によるものと同様であるが、この実施の形態にあっては、圧力センサ３が水平赤道面に一個のみ設けられている点が異なっている。そして、球状体の北極側に固定され、垂直上方に延びる支持体２にフランジを介して接続している固定体１６がその軸を中心として回転できるように図示しない駆動装置に接続されている。
【０１００】
駆動装置を駆動すると、球状体１が回転し圧力センサ３は水平赤道面上を移動する。したがって、圧力センサ３を所望の回転角度で停止させ、その位置における圧力を順次測定することが可能となる。各回転位置における測定の時間的ずれは数十秒程度であるが、通常河川等の流れの時間的変化はもっと緩やかであるので、このずれは実際上の問題とはならない。したがって、この実施の形態によれば、赤道周りの全ての箇所の圧力を一つの圧力センサ３のみによって測定できることになる。このようにして測定した複数の圧力データを基に上述の方法を用いて流速等を算出することが可能となる。
【０１０１】
尚、この実施の形態にあっては、圧力センサ３を一個としたが、複数の圧力センサを球状体３に取り付け、これを回転させるように構成しても良い。又、回転軸は上下方向としたが、用途に応じて回転軸の方向を所望の方向に設定すれば良い。
【０１０２】
図２５は図２４で示したセンサ構造体を河川の流速検知に応用した例を示す図である。
【０１０３】
図を参照して、センサ構造体１０１の斜め下方部に音響測深センサ３０が取り付けられている。このセンサ構造体１０１を河川４６の中央部において水中に配置し、上述の図示しない駆動装置を用いて垂直軸周りに回転させる。これによって、音響測深センサ３０から川底３３に超音波ビームが広範囲に照射され、その反射ビームを測定して川底３３の断面形状を具体的に計測することができる。
【０１０４】
一方、センサ構造体１０１からは赤道周りの所望の圧力データを得ることができるため、河川４６の流速が算出される。その結果、音響測深センサ３０によって計測された川底３３の断面形状と合わせると、この河川４６のより正確な流量を得ることができる。
【０１０５】
尚、上記では音響測深センサ３０は１個としたが、川底３３の形状によっては必要な照射範囲をカバーするために複数個を球状体１に取り付けても良い。
【０１０６】
図２６は図１４に示したセンサ構造体を、水槽等の流速検知に応用した例を示す図である。
【０１０７】
図を参照して、支持体２及び固定体１６を下方に向けてセンサ構造体１０１がタンクや水族館の水槽３５の底面３６に固定されている。このような使用方法は、上部からの取り付けが困難な場合や、取り付けが可能であってもその取り付け長さが長くなってしまう場合等に用いられる。この方法によると、底面３６にセンサ構造体１０１を取り付けるため美観を損なう虞が少なく、又、センサ構造体１０１の上部に構造物が存在しないため使い勝手が良い。そして、上述のようにセンサ構造体１０１の出力によって、水槽３５の保有水４９の底面３６側の水流の変化等を検出することが可能となる。
【０１０８】
図２７は上述のセンサ構造体による流体測定及び流体管理システムの構成を示したブロック図である。
【０１０９】
図を参照して、センサ構造体を河川等に設置して得られた圧力，水位及び方位の諸データは，ＩＳＤＮ等の回線を使って速やかに河川管理事務所あてに送られる。そこでアナログ値のデータはデジタル値に変換され、上述のように流体力学理論に基づいた流れの数値シミュレーション及び実験結果から確立された、表面圧力から水流を予測する計算アルゴリズムを用いてコンピュータにて演算される。その結果得られた水圧、流速、流量、水位，方向等のデータは、リアルタイムにインターネット等を介して公共事業体等の河川総合管理センター等に送られ，流量の監視・管理がリアルタイムに的確に行われる。
【０１１０】
図２８はこの発明の第６の実施の形態によるセンサ構造体の概略断面図であって、先の第１の実施の形態による図２に対応した図であり、図２９は図２８に示した“Ｙ”部分の拡大図である。
【０１１１】
これらの図を参照して、球状体１の表面に取り付けられる圧力センサ３の構造は基本的には第１の実施の形態によるものと同一である。しかし、この実施の形態にあっては、圧力センサ３ｃの外方側に球状体１と表面が整列するセンサホルダ３８が取り付けられている点が大きく異なっている。センサホルダ３８の中央には開口３９が形成され、その内部にセンサロッド１０が露出する大きさの流体淀み部４０が形成されている。尚、流体淀み部４０の径は開口３８の径より大きく設定されている。これによって、センサロッド１０が直接外方に露出する第１の実施の形態による構成に比べて、検出する圧力値が安定すると共に検出誤差が減少する。
【０１１２】
又、流体淀み部４０には放射状に形成された流体噴出孔４１が接続され、流体噴出孔４１はリング状に形成された流体保有部４３を介して流体供給孔４４が接続される。流体の条件によっては、開口３９や流体淀み部４０に異物が堆積する可能性がある。このような場合には、支持体２から空気又は水等の流体を定期的に流体供給孔４４に噴出させるようにすれば良い。流体供給孔４４に噴出された流体は流体噴出孔４１を介して流体淀み部４０に吹き込まれ、流体淀み部４０の異物を開口３９を介して外方に除去することが可能となる。尚、この実施の形態にあっては流体噴出孔４１は流体淀み部４０に対して斜めに入るように形成されているため、噴出流が渦流を生じるようになり、異物の除去効果を更に向上させている。
【０１１３】
尚、上記の第１の実施の形態では、圧力センサは赤道上の４箇所に取り付けられているが、流速方向に対して所望の非対称位置に固定できる固定手段を有している場合は、圧力センサは２箇所の取付けで良い。固定手段がない場合には、３箇所以上あれば良い。
【０１１４】
又、上記の第１の実施の形態では、三次元加速度センサが組み込まれているが、このセンサは必ずしもなくても良い。
【０１１５】
更に、上記の各実施の形態では、圧力センサとして感圧ゴムセンサを用いているが、他の構成によるセンサであっても良い。
【０１１６】
更に、上記の第１の実施の形態では、圧力から流速を算出する方法を示しているが、この方法は一例に過ぎず、他の方法によって圧力から流速を算出することも可能である。
【０１１７】
更に、上記の各実施の形態では、流速に対して一定の方向に収束するような形状ではないが、例えば船形や流線型等の形状の本体を採用してこれに圧力センサを組み込むように構成しても良い。この場合、流速に対して本体の向きが自動的に固定されるため、より簡易に測定圧力から流速を算出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】この発明の第１の実施形態によるセンサ構造体の外観形状を示す斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩラインの断面図である。
【図３】図２で示されている“Ｘ”部分の拡大図である。
【図４】図１に示したセンサ構造体を流体中に設置し、その上方から見た図である。
【図５】図４の状態において、所定のレイノルズ数（１．６２×１０５）に設定した流体中で静止状態に設置された球状体の赤道上に実際に現れる実験上の圧力分布を示した概略図である（実験例Ａ）。
【図６】図４の状態において、他のレイノルズ数（３．１８×１０５）に設定した流体中で静止状態に設置された球状体の赤道上に実際に現れる実験上の圧力分布を示した概略図である（実験例Ｂ）。
【図７】図４の状態において、他のレイノルズ数（１．１４×１０６）に設定した流体中で静止状態に設置された球状体の赤道上に実際に現れる実験上の圧力分布を示した概略図である（実験例Ｃ）。
【図８】図４に示したセンサ構造体１０１が流れに対して正対状態に設置されていない場合において、圧力センサの赤道面における測定位置を示した図である。
【図９】縦軸に図８に示されている圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２から算出される圧力差（Ｐ１−Ｐ２）を採り、横軸に流れに対するセンサ構造体の変位角度を採ったものである。
【図１０】縦軸に図８に示されている圧力Ｐ０及び圧力Ｐ１から算出される圧力差（Ｐ０−Ｐ１）を採り、横軸に流れに対するセンサ構造体の変位角度を採ったものである。
【図１１】この発明の第２の実施の形態によるセンサ構造体の外観形状を示す斜視図である。
【図１２】この発明の第３の実施の形態によるセンサ構造体の外観形状を示す斜視図である。
【図１３】先のこの発明の第４の実施の形態によるセンサ構造体の外観形状を示す斜視図である。
【図１４】先の第１の実施の形態によるセンサ構造体の取り付け状況を示した概略図である。
【図１５】先の第１の実施の形態によるセンサ構造体の他の取り付け状況を示した概略図である。
【図１６】図１４に示したセンサ構造体を、河川の流速検知に応用した例を示す図である。
【図１７】図１６のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩラインから見た図である。
【図１８】図１４に示したセンサ構造体を、河川の流速検知に応用した他の例を示す図である。
【図１９】図１８のＸＩＸ−ＸＩＸラインから見た図である。
【図２０】図１４に示したセンサ構造体を、河川の流速検知に応用した更に他の例を示す図である。
【図２１】図２０のＸＸＩ−ＸＸＩラインから見た図である。
【図２２】図１４に示したセンサ構造体を、河川の流速検知に応用した更に他の例を示す図である。
【図２３】図１４に示したセンサ構造体を、河川、湖、海洋等の流量検知に応用した更に他の例を示す図である。
【図２４】この発明の第５の実施の形態によるセンサ構造体の外観形状を示す側面図である。
【図２５】図２４で示したセンサ構造体を河川の流速検知に応用した例を示す図である。
【図２６】図１４に示したセンサ構造体を、水槽等の流速検知に応用した例を示す図である。
【図２７】各実施の形態によるセンサ構造体による流体測定及び流体管理システムの構成を示したブロック図である。
【図２８】この発明の第６の実施の形態によるセンサ構造体の概略断面図であって、先の第１の実施の形態による図２に対応した図である。
【図２９】図２８で示されている“Ｙ”部分の拡大図である。
【符号の説明】
【０１１９】
１…球状体
２…支持体
３…圧力センサ
４…三次元加速度センサ
１３，１４…感圧ゴムセンサ
３８…センサホルダ
３９…開口
４０…流体淀み部
４１…流体噴出孔
４２…ホルダ本体
１０１…センサ構造体
１２０，１２３…円柱体
尚、各図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
【図１】
2007093321.tif 000003
【図２】
2007093321.tif 000004
【図３】
2007093321.tif 000005
【図４】
2007093321.tif 000006
【図５】
2007093321.tif 000007
【図６】
2007093321.tif 000008
【図７】
2007093321.tif 000009
【図８】
2007093321.tif 000010
【図９】
2007093321.tif 000011
【図１０】
2007093321.tif 000012
【図１１】
2007093321.tif 000013
【図１２】
2007093321.tif 000014
【図１３】
2007093321.tif 000015
【図１４】
2007093321.tif 000016
【図１５】
2007093321.tif 000017
【図１６】
2007093321.tif 000018
【図１７】
2007093321.tif 000019
【図１８】
2007093321.tif 000020
【図１９】
2007093321.tif 000021
【図２０】
2007093321.tif 000022
【図２１】
2007093321.tif 000023
【図２２】
2007093321.tif 000024
【図２３】
2007093321.tif 000025
【図２４】
2007093321.tif 000026
【図２５】
2007093321.tif 000027
【図２６】
2007093321.tif 000028
【図２７】
2007093321.tif 000029
【図２８】
2007093321.tif 000030
【図２９】
2007093321.tif 000031