(57)【要約】【課題】  たとえ被測定断面における流体の水面が波打っている場合であっても、その水面の水位を簡易的にかつ高精度に計測可能となる水位計測装置を提供する。【解決手段】  水位計測装置(10)は、水路(90)を流れる流体における被測定断面の水位を計測する装置である。  水路(90)に対して水面近傍へ固定された基準スケール(11)と、  被測定断面における水面を横断するように連続的に被撮影光(32)を照射する照射装置(20)と、  その照射装置(20)が照射した被撮影光(32)と前記基準スケール(11)とを含むように水面を連続的に撮影するカメラ(80)と、  そのカメラ(80)による撮影画像データから水面の高さ位置を算出する算出手段(72)と、を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水路を流れる流体における被測定断面の水位を計測する水位計測装置であって、
水路に対して水面近傍へ固定された基準スケールと、
被測定断面における水面に対して流れ方向を横断するように連続的に被撮影光を照射する照射装置と、
その照射装置が照射した被撮影光と前記基準スケールとを含むように水面を連続的に撮影するカメラと、
そのカメラによる撮影画像データから水面の高さ位置を算出する算出手段とを備えた水位計測装置。
【請求項２】
前記照射装置は、被撮影光を水路と平行な方向に対して連続的に変化させる水平方向変化手段を備えた請求項１に記載の水位計測装置。
【請求項３】
前記のカメラは、前記の被撮影光を異なる複数の場所から同時撮影するステレオカメラとし、
前記の算出手段は、複数のカメラにおける同期させた撮影画像データを用いて画像処理を実行することした請求項１または請求項２のいずれかに記載の水位計測装置。
【請求項４】
水路を流れる流体の水面に対して流れ方向を横断するように連続的に被撮影光を照射する照射手順と、
水路に対して水面近傍へ固定された基準スケールと前記被撮影光とを含むように、カメラにて水面を連続的に撮影する撮影手順と、
その撮影手順による撮影画像データから水面の高さ位置を算出する水位算出手順と、  を実行することとした水位計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定断面における流体の水面が波打っている場合であっても、その水面の水位を計測可能な水位計測装置および水位計測方法に関する。
【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という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】
しかし、正確な流量を算出したい、という目的で測定する場合には、超音波流量計にて計測の対象とする流水の断面形状の正確な把握が必要となる。その場合、開渠断面の寸法の正確な計測に基づく流水の断面形状の把握と、当該断面形状における上端を連続させた位置（水位）の把握とが必要となる。
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】
上記の点に鑑みると、特許文献１に開示された技術では不十分である。開渠断面の寸法の正確な計測に基づく流水の断面形状の把握も、当該断面形状における上端を連続させた位置（水位）の把握も、行えないからである。
市販の水位計とその水位データ継続記録手段などによって、水位の経時変化を計測することで対処可能である。  しかし、分岐直後などの流れの乱れが大きい箇所では、水面に凹凸が生じている。  したがって、開渠の断面方向の水位を計測しなければ、高精度な流水断面積計測ができない。
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、流れ方向に垂直な水面の水位を計測可能な水位計測装置および水位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】
【００１０】
（第一の発明）
本願における第一の発明は、  水路(90)を流れる流体における被測定断面の水位を計測する水位計測装置に係る。
すなわち、水路(90)に対して水面近傍へ固定された基準スケール(11)と、  被測定断面における水面に対して流れ方向を横断するように連続的に被撮影光(32)を照射する照射装置(20)と、  その照射装置(20)が照射した被撮影光(32)と前記基準スケール(11)とを含むように水面を連続的に撮影するカメラ(80)と、  そのカメラ(80)による撮影画像データから水面の高さ位置を算出する算出手段(72)とを備えた水位計測装置(10)に係る。
【００１１】
（用語説明）
「流体」とは、川の水であることが一般的であるが、「水」に限られない。
カメラ(80)に関して、「連続的に撮影」とは、動画像としての撮影の他、静止画像の多数撮影も含まれる。
算出手段(72)に関して、「撮影画像データから水面の高さ位置を算出する」とは、被撮影光(32)の位置を基準スケール(11)に対してどこになるかを画像処理するものである。
【００１２】
（作用）
照射装置(20)によって、水路(90)を流れる流体における被測定断面の水面を横断するように連続的に被撮影光(32)を照射する。被撮影光(32)は水面にて反射して反射光となる。カメラ(80)は、水面における被撮影光(32)の反射光と基準スケール(11)とを含むように水面を連続的に撮影する。
算出手段(72)は、基準スケール(11)が含まれるように撮影した撮影画像データから水面の高さ位置を算出する。
例えば、被測定断面における水面に照射した被撮影光(32)の反射光における高さ位置を算出する。
それによって、たとえ水路(90)を流れる流体における被測定断面の水面が波打っている場合であっても、その水面の水位を簡易的にかつ高精度に計測可能となる。
【００１３】
（第一の発明のバリエーション１）
第一の発明は、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、  前記照射装置(20)は、被撮影光(32)を水路(90)と平行な方向に対して連続的に変化させる水平方向変化手段(50)を備えることとしてもよい。
【００１４】
（作用）
水面はある一定周期で変動しているが、その水面の変動周期があまりに長いために、適切に水位計測ができない場合がある。その場合は、水平方向変化手段(50)によって被撮影光(32)を水平方向に対して連続的に変化させると、水面に照射した被撮影光(32)の反射光を画像取得する数が増える。それによって適切に水位を計測することができる。
【００１５】
（第一の発明のバリエーション２）
第一の発明は、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、  前記のカメラ(80)は、前記の被撮影光(32)を異なる複数の場所から同時撮影するステレオカメラとし、  前記の算出手段(72)は、複数のカメラ(80)における同期させた撮影画像を用いて画像処理を実行することとしてもよい。
【００１６】
（作用）
前記のカメラ(80)をステレオカメラとすると、三次元の画像で表示することが可能となる。それによって、水面の乱れに応じた詳細なデータを取得し、よりいっそう高精度の水位を計測することができる。
【００１７】
（第二の発明）
本願における第二の発明は、  水路(90)を流れる流体の水面に対して流れ方向を横断するように連続的に被撮影光(32)を照射する照射手順と、  水路(90)に対して水面近傍へ固定された基準スケール(11)と前記被撮影光(32)とを含むようにカメラ(80)にて水面を連続的に撮影する撮影手順と、  その撮影手順による撮影画像データから水面の高さ位置を算出する水位算出手順とを実行することによる水位計測方法に係る。
【００１８】
（作用）
たとえば、水路(90)を流れる流体における被測定断面の水面が波打っている場合であっても、その水面の水位を計測可能である。
【発明の効果】
【００１９】
本願発明によれば、流れ方向に垂直な水面の水位を計測可能な水位計測装置および水位計測方法を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態を示す概略的な斜視図である。
【図２】被測定断面を測定するときの開渠の断面図である。
【図３】照射装置の概略的な分解斜視図である。
【図４】照射装置においてレーザ光を発射するレーザヘッド部の揺動動作を説明する動作説明図である。
【図５】遮蔽板からヘッドノズルに向かって視た部分的な正面図である。
【図６】遮蔽板からヘッドノズルに向かって視た正面図である。
【図７】本発明の実施形態に係る水位計測装置の機能ブロック図である。
【図８】ステレオ撮影を実行する実施形態の概略的な斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
本実施形態に係る水位計測装置１０は、図１および図２に示すように、基準スケール１１と照射装置２０とカメラ８０と制御装置６０とを備えている。なお、本実施形態では開渠９０を流れる流体における被測定断面の水位を計測することを例とする。
【００２２】
前記照射装置２０から発射する被撮影光としては、レーザ光３２の他、流体の色と明確に区別可能な色彩をなす光でなければならない。
上記の基準スケール１１は、図１に示すように開渠９０に対して水面近傍へ固定されたもので、水位を目視で計測するためのスケールである。
【００２３】
前記照射装置２０は、被撮影光であるレーザ光３２を発射するヘッドノズル３１を含むレーザヘッド部３０と、被測定断面における水面を横断するように前記レーザ光３２を連続的に移動する被撮影光移動装置４０と、を備えている。
【００２４】
さらに、前記レーザ光３２を水平方向に対して連続的に変化させる水平方向変化装置５０を備えることもできる。
前記照射装置２０は、その一例として図１および図３に示すように箱型形状の装置本体２１が例えば三脚２３にて所望の場所へ設置可能な台座２２の上に設けられる。
【００２５】
前記被撮影光移動装置４０は、前記装置本体２１に設けられる。その装置本体２１の一側面に、円弧状長孔のガイド孔部４１が形成される。さらに、可動支持部材４２が前記ガイド孔部４１へ挿入された状態でそのガイド孔部４１によって案内されて移動する構成である。  つまり、前記可動支持部材４２の一端側は装置本体２１の外側へ突出し、前記可動支持部材４２の他端側は装置本体２１の内部へ挿入されている。
【００２６】
また、前記装置本体２１の内部の下部には、円板状の回転部４５がモータや回転ギヤなどからなる回転駆動機構４４にて例えば一方向へ回転するように設けられている。
その上で、前記可動支持部材４２の他端は、前記回転部４５の外周縁近くの一点と、ピストンなどの連動部材４３にて回転自在に連結されている。
【００２７】
前記レーザヘッド部３０は、前記装置本体２１の外側へ突出した可動支持部材４２の一端側へ固定されている。  さらに、前記レーザヘッド部３０にはその上部にヘッドノズル３１が取り付けられていることに加えて、その下部には前記の水平方向変化装置５０が設けられている。
【００２８】
その水平方向変化装置５０は、前記ヘッドノズル３１と同じ側のレーザヘッド部３０の側面へ固定したモータなどの回転駆動部５１と、その回転駆動部５１の回転軸の先端へ固定した遮蔽板５２ａとを備えている。  その遮蔽板５２ａには、複数のレーザ光通過孔５３が前記ヘッドノズル３１から発射されるレーザ光３２を遮断する位置に対して回転同心円上に設けられている。
【００２９】
前記ヘッドノズル３１から発射されるレーザ光３２は、遮蔽板５２ａにて遮蔽される。しかし、遮蔽板５２ａが回転することによってレーザ光通過孔５３を通過する。その時、レーザ光３２は幅と広がりを有しているので、レーザ光通過孔５３がレーザ光３２に対して例えば左から右へ移動する際、図５（ａ）から図５（ｅ）に示すようにレーザ光３２が通過する幅の位置が左から右へ変化する。
後続するレーザ光通過孔５３によっても、上記と同じようにレーザ光３２が左から右へ変化する。以下、その動作を繰り返すことになる。
その結果、遮蔽板５２ａを回転させると、前記レーザ光３２がレーザ光通過孔５３によって断続的に通過するとともに水平方向へ変化することになる。
【００３０】
前述した遮蔽板５２ａとは異なる例として、図６（ａ）から図６（ｄ）に示す遮蔽板５２ｂは、その外周側に扇状形のレーザ光通過切欠き部５４を設けている。なお、図６（ａ）〜図６（ｄ）は遮蔽板５２ｂからヘッドノズル３１に向かって視た正面図である。
遮蔽板５２ｂが矢印方向へ回転すると、図６（ａ）ではレーザ光３２がレーザ光通過切欠き部５４を通過して幅と広がりをもって照射する。
【００３１】
図６（ｂ）ではレーザ光３２がレーザ光通過切欠き部５４の右側の遮蔽板５２ｂによって右側から遮蔽されるので、レーザ光３２の幅が左側へ移動して照射される。
図６（ｃ）ではレーザ光３２が遮蔽板５２ｂによって完全に遮断される。
【００３２】
図６（ｄ）では遮蔽板５２ｂにて遮断されていたレーザ光３２がレーザ光通過切欠き部５４によって右側から開放されるので、レーザ光３２の幅が右側へ移動して照射される。
その結果、遮蔽板５２ｂを回転させると、前記レーザ光３２はレーザ光通過切欠き部５４によって断続的に通過するとともに水平方向へ変化することになる。
【００３３】
なお、水平方向変化装置５０は上記の図５および図６の方法には限定されない。レーザ光３２を水平方向へ変化させる装置の構成であればよい。
また、被撮影光移動装置４０の動作は、例えば、図４（ａ）から図４（ｄ）に示すように円板状の回転部４５が矢印方向へ一回転すると、前記可動支持部材４２が連動部材４３を介して円弧状長孔のガイド孔部４１によって案内されながら一往復する。
その結果、前記レーザヘッド部３０は、図２に示すようにレーザ光３２が被測定断面における水面を横断して連続的に照射するように角度変化することになる。
【００３４】
前記の水平方向変化装置５０の動作がさらに加わることによって、図１および図２に示すように水面へ照射されるレーザ光３２が断続的にしかも水平方向へ変化することになる。すなわち、レーザ光３２は水面にて反射して反射光３３となる。
【００３５】
前記カメラ８０は、前記の照射装置２０が照射したレーザ光３２の反射光３３と、前記の基準スケール１１とを含むように水面を連続的に撮影するものである。
また、前記カメラ８０は、図８に示すように前記のレーザ光３２を異なる複数の場所から同時撮影するステレオカメラとすることができる。そのステレオカメラによって、三次元の画像で表示することが可能となる。  それによって水面の乱れに応じた詳細なデータを取得し、よりいっそう高精度の水位を計測することができる。
【００３６】
制御装置６０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７０と記憶部６１と表示部６２と操作部６３とを含んで構成される。
前記の制御部７０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６１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７０で処理されるプログラムや取得データなどを記憶する。
【００３７】
表示部６２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６１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６３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。
【００３８】
さらに、上記の制御部７０は、画像処理装置７１、演算部７２(算出手段)、指令部７３を含んで構成されている。
前記画像処理装置７１は、カメラ８０によって撮影された画像をデジタル信号に変換するものである。本実施形態では、照射装置２０にて照射された水面上のレーザ光３２の反射光３３と、基準スケール１１とを含むように撮影された画像をデジタル信号に変換する。
【００３９】
前記演算部７２は、カメラ８０から画像処理装置７１を経て得た撮影画像データから、被測定断面における水面を横断して断続的に照射された各レーザ光３２と、基準スケール１１とを比較して、各レーザ光３２における反射光３３の高さ位置を算出する。その各反射光３３の高さ位置の平均値を水位として算出する。
【００４０】
前記指令部７３は、ケーブルを介して前記照射装置２０におけるレーザヘッド部３０に対してヘッドノズル３１からレーザ光３２を発射する指令を与える。  それとともに前記被撮影光移動装置４０に対してレーザ光３２が被測定断面における流体の流れの水面を横切るように移動する指令を与える。  また、水平方向変化装置５０に対してレーザ光３２を水平方向に対して連続的に変化させる指令を与える。
【００４１】
次に、上記の水位計測装置１０における作用、すなわち本発明に係る水位計測方法について説明する。
例えば開渠９０の被測定断面における水位を計測する場合について説明する。まず、図１に示すように、照射装置２０が開渠９０の被測定断面における流体の流れの水面を横切るようにしてレーザ光３２を連続的に移動するように設置される。
【００４２】
照射装置２０のレーザヘッド部３０においてヘッドノズル３１からレーザ光３２が発射される。  その時、レーザ光３２が被撮影光移動装置４０によって開渠９０の被測定断面における水面を横切るようにして発射される。それに加えて、水平方向変化装置５０によって水面へ照射されるレーザ光３２が、図１および図２に示すように断続的にしかも水平方向へ変化する。
【００４３】
上記のように水面へ照射されたレーザ光３２の反射光３３は、基準スケール１１を含むようにカメラ８０によって連続的に撮影される。
【００４４】
制御装置６０では、カメラ８０から画像処理装置７１を経て得た撮影画像データから、被測定断面における水面を横断して断続的に照射された各レーザ光３２の反射光３３と、基準スケール１１とを比較して、各反射光３３の高さ位置が演算部７２にて算出される。その各反射光３３の高さ位置の平均値が水位として算出される。
【００４５】
以上のようにして、レーザ光３２が開渠９０の被測定断面における流体の流れの水面を横切るように連続的に照射されるとともに、その水面上のレーザ光３２の反射光３３と基準スケール１１が含むようにカメラ８０によって撮影される。  その得られた画像データ情報から被測定断面における水面の全体の水位が計測することができる。したがって、たとえ開渠９０を流れる流体における被測定断面の水面が波打っている場合であっても、その水面の水位を計測可能となる。
【００４６】
照射装置２０が単数の場合は、計測したい開渠９０における被測定断面に沿って前記レーザ光３２をトラバースすればよい。
一方、複数の照射装置２０を用いることができる場合は、例えば、開渠９０の側壁９１の近くから複数のレーザ光３２を扇状に水面へ照射し、その多くのレーザ光３２の反射光３３を画像取得すればよい。
【００４７】
水面は時々刻々と変化しているため、必ずしも水面からの反射光３３を定常的に画像取得することができない。  しかし、水面はある一定周期で変動しているので、その周期を十分にカバーできるような画像計測時間を設定すれば、水面からの反射光３３を画像取得することができる。
【００４８】
前記の水面の変動周期があまりに長いために、適切に水位計測ができない場合は、レーザ光３２を開渠９０における流体の流れ方向へ微振動させることによって、前記反射光３３を画像取得する数を増やすことができる。  つまり、前記の水平方向変化装置５０を用いてレーザ光３２が流体の流れ方向の水平方向へ変動することによって、レーザ光３２を流体の流れ方向へ微振動させることができる。
【００４９】
水面からの反射光３３を画像取得することに関しては、反射光３３の計測周期に応じてビデオカメラやハイスピードカメラなどの各種カメラ８０を選択することができる。その際、レーザ光３２だけを選択的に取得するために、使用するレーザ光３２の周波数帯フィルタを用いることが望ましい。
【００５０】
水位はある一定時間の平均値として求めればよいので、ビデオカメラによる画像取得ではなく、デジタルカメラによる画像取得でも可能である。  例えば、撮影時間中はデジタルカメラのシャッターを開けておき、反射光３３を撮影し続ける。そのようにして計測した画像を処理することによって、反射光３３の水位の平均値を求めることができる。
【００５１】
以上のことから、本実施形態の水位計測装置および水位計測方法では、レーザ光３２などの被撮影光による照射と、カメラ８０を用いた画像計測とを組み合わせることによって、たとえ開渠９０を流れる流体における被測定断面の水面が波打っている場合であっても、その水位を計測することができた。
【００５２】
水位の計測結果を用いて、その水位を含む断面形状での超音波流量計であれば、開渠９０を流れる流体の流量を、水位の変化を無視して流体流量を計測する場合に比べて高精度に計測することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
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】
【００５４】
１０  水位計測装置              １１  基準スケール
２０  照射装置                  ２１  装置本体
２２  台座                      ２３  三脚
３０  レーザヘッド部            ３１  ヘッドノズル
３２  レーザ光（被撮影光）      ３３  反射光
４０  被撮影光移動装置          ４１  ガイド孔部
４２  可動支持部材              ４３  連動部材
４４  回転駆動機構              ４５  回転部
５０  水平方向変化装置（水平方向変化手段）
５１  回転駆動部                ５２ａ  遮蔽板
５２ｂ  遮蔽板                  ５３  レーザ光通過孔
５４  レーザ光通過切欠き部
６０  制御装置                  ６１  記憶部
６２  表示部                    ６３  操作部
７０  制御部                    ７１  画像処理装置
７２  演算部(算出手段)          ７３  指令部
８０  カメラ
９０  開渠（水路;被測定断面）    ９１  側壁
【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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