JP2005321314A - 超音波流量計、その流量測定方法およびその流量測定プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】河川や大人工開水路においても、超音波流量測定装置の測定精度を保持しつつ装置構造をより簡便化した超音波流量計とその流量測定方法およびその流量測定プログラムを提供する。
【解決手段】測定開始の要求を受け付けてトリガを発生させるトリガ発生手段６０と、流量測定の基礎となる流速分布を取得する流速分布取得手段６１と、この流速分布取得手段が取得した流速分布に基づき流量を算出する流量算出手段６２と、この流量算出手段が算出した流量を流量測定値として表示する流量表示手段６３とを具備し、流速分布取得手段６１は、水（流体）２１が流動する水路（流路）２４の表面側から流速分布を取得する水面側流速分布取得手段６５と、水２１が流動する水路２４の底側から流速分布を取得する水底側流速分布取得手段６６と、水面側流速分布取得手段６５および水底側流速分布取得手段６６がそれぞれ取得した流速分布に基づき、水路２４の深さ方向の流速分布を得る流速分布校正処理手段６７とを備える。
【選択図】 図７

Description

本発明は、超音波パルスを利用して流体の流速分布および流量を測定する超音波流量計に係り、特に、メートルオーダの大型の人工開水路（開きょ）における超音波流量計とその流量測定方法およびその流量測定プログラムに関する。

河川や大人工開水路における流速や流量を測定する装置または方法として幾つかの装置または方法がある。大別すると、プロペラ式流量計等を用いた機械的手段により流体の流速分布や流量を測定する装置または方法と、超音波を用いて流速分布や流量を測定する装置または方法とであるが、後者の超音波を用いて流速分布や流量を測定する装置または方法は、前者の機械的手段により流体の流速分布や流量を測定する装置または方法に比べ以下の利点を有するので、測定の利便性の面で有利と考えられている。

（１）流速分布を乱さない（乱れたとしても測定上無視できる範囲である）。
（２）微流速から高流速まで直線性がある。
（３）流速成分がわかる。
（４）実時間測定ができ、連続自動観察が可能である。
（５）機械的動作部分がないので保守が容易である。

図１６に開水路に設置された上記利点を有する従来の超音波流量測定装置１の構成概略図を示す。

ここで、図１６（ａ）は、図１６（ｂ）に示す仮想測定直線Ｂに対する垂直方向の断面図であり、図１６（ｂ）は、図１６における平面図（上空から開水路を見た場合における正面図）である。

図１６を用いて超音波流速分布測定装置または流量測定装置１について概説すると、従来の超音波流量測定装置１は、図１６（ａ）に示すように、一方の仮想測定直線Ｂの端部（開水路周縁部）に超音波を発信する発信トランスデューサ部２を、仮想測定直線Ｂの他端（開水路周縁部）に受信する受信トランスデューサ部３を有するトランスデューサ対４と、超音波を発振して発信トランスデューサ部２に供給する超音波発振部５とを備える。

受信トランスデューサ部３側には、水面方向から水底方向に向かって支柱６が設置されている。この支柱６には受信トランスデューサ部３を取り付けたラック桿７が水平方向に回転自在な状態で取り付けられており、深さ方向に所定間隔で複数個のラック桿７が取り付けられる。また、図１６（ｂ）に示されるように、ラック桿７に取り付けられる受信トランスデューサ部３は、受信トランスデューサ８Ａ，８Ｂが所定距離を隔てて対をなして構成される。

また、超音波流量測定装置１は、受信トランスデューサ部３からの受信超音波に対応する電気信号およびラック桿７を駆動させるモータ部９の回転数から移動距離に換算した電気信号とを用いて流速および流量を演算する流速・流量演算部１０とをさらに備えており、流速・流量演算部１０が取得した信号に基づき演算処理する。

流速・流量演算部１０が取得した信号に基づき行う演算処理では、まず、一定水深における平均流速値が算出される。その後、算出された平均流速値を用いてさらに演算処理（積分演算）して流量を算出している。また、水深方向においては複数箇所で平均流速値の測定を行い、同様の演算処理を行うことで水路を流動する流体（水）の流速分布さらには流量を算出し、算出結果を測定結果として採用している。従って、超音波流量測定装置１は、流速分布を算出した時点で算出結果を出力することにより超音波流速分布測定装置ともなり得る。

尚、図１６（ｂ）において示されるＶは水路を流れる流体の流速を示し、矢印は流れ方向を示すものである。また、仮想測定直線Ｂは、流体の流れ方向（矢印方向）とほぼ直交する関係にあり任意に設定した直線である。

このように構成される従来の超音波流量測定装置１は、超音波が水中を伝播する際に生じる偏向現象を利用して流速・流量を簡単でかつ精度良く測定する。ここで、偏向現象とは、流速ＶがＶ≠０の時に仮想測定直線Ｂの一端から超音波を発信した時に仮想測定直線Ｂの他端側に到達する位置が流れ方向に対し下流方向にずれる現象をいう。

上述した超音波流速分布装置およびその方法または超音波流量測定装置およびその方法に関する例は、特開２０００−１１１３７４号公報、特開２０００−２５８２１２号公報等がある。

一方、河川や大人工開水路において適用されてはいないものの超音波流量測定装置１とは異なり図１６に示すような１対のトランスデューサ対４を利用する他にも、１つのトランスデューサで超音波の発信および受信を行い、流速分布または流量を測定し得る超音波流量測定装置も存在する。このような超音波流量測定装置の例は、例えば、特開２０００−９７７４２号公報等に開示されている。
特開２０００−１１１３７４号公報 特開２０００−２５８２１２号公報（図９（ａ），図９（ｂ）） 特開２０００−９７７４２号公報

しかしながら、上述したような従来の超音波流量測定装置１およびその方法においては、超音波を発信する発信トランスデューサ部２と超音波を受信トランスデューサ部３とを有する一対のトランスデューサ対４が必要不可欠であり、仮想測定直線Ｂの一端側にある発信トランスデューサ部２から発信された超音波を受信する受信トランスデューサ部３を仮想測定直線Ｂの他端側に設けることが必須になる。このため、受信トランスデューサ部３側の構造が複雑となり、装置全体の構成が複雑化する課題がある。

より具体的には、仮想測定直線Ｂの他端側に受信トランスデューサ部３を固定するための支柱６が必要となる点で受信トランスデューサ部３側の構造が複雑となっている。また、図１６に示すような開水路を流動する流体（一般的には水）の流量を測定するには、流速分布を取得することが不可欠であるが、流速は水面近傍領域、水中領域、水底近傍領域とでは全く異なる。このため、ある程度の測定精度を確保するには受信トランスデューサ部３を複数の水深に設ける必要があり、支柱６はラック桿７を所定間隔毎に複数有する構成とせざるを得ない。この点が受信トランスデューサ部３側の構造を複雑化している。

さらには、開水路を流動する流体の流速Ｖの影響を受けて発信した超音波は偏向するので、発信された超音波を受信するためには、支柱６に取り付けられたラック桿７を水平方向（水深一定の状態）に回転自在に構成する必要がある。この点で受信トランスデューサ部３側の構造が複雑化している。

また、超音波流量測定装置１では、流速分布を得ることはできないため、流量の測定誤差が比較的大きくなる傾向がある。より具体的には、超音波流量測定装置１では、実際の流路を模擬した模擬流路で実験を行い補正係数を用いて流量を決定している。しかしながら、実際の流路は、底部に堆積物が堆積し、人工的な水路においても凹凸があるのが通常であり、測定個所の形状や底面の粗さが場所によって異なる。つまり、模擬流路は、実際の流路とかけ離れていることが多い。当然、模擬流路と実際の流路とが、かけ離れればかけ離れるほど、流量の測定誤差も大きくなる。

一方、１つのトランスデューサで超音波の発信および受信を行い、流速分布または流量を測定し得る超音波流量測定装置を利用すれば、トランスデューサが送信トランスデューサ部２と受信トランスデューサ部３とを有するので、図１６に示すような受信トランスデューサ部３を設置するための支柱６およびラック桿７が不要となり、構造の複雑化の課題を解決し得ると考えられる。

しかしながら、河川や大人工開水路における流量測定装置またはその方法として単純に超音波流量測定装置を利用することはできない。従来、河川や大人工開水路における流量測定装置またはその方法に超音波流量装置を適用した例がないのは、以下のような課題が存在するためと考える。

超音波流量測定装置を河川や大人工開水路において適用する際に生じる課題としては、まず、流量を測定できる測定範囲がトランスデューサから１〜３メートル程度の距離にないと測定できないという課題がある。つまり、小さな河川や人工開水路では、流量が測定できても、例えば、水深５ｍ以上あるような大人工開水路においては、超音波流量測定装置を適用できないことを意味する。

他の課題としては、上記のような大人工開水路では、水底部近傍の流速分布を精度良く測定できないと流量測定も精度良く行えないという課題がある。たとえ人工的に作られた水路であっても、水底部に堆積物が堆積し、凹凸があるのが通常であり、測定個所の形状や底面の粗さが場所によって異なるので、測定範囲外の水深にある場合においても流速を近似する等して補正を行う方法では、精度良く流量を測定するのは困難であると考えられる。

そこで、本発明では、超音波流量測定装置を河川や大人工開水路において適用する際に生じる課題の解決を図ることで、河川や大人工開水路において適用できる超音波流量測定装置を構築し、併せて超音波測定装置１の有する課題の解決を図るものである。

すなわち、本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであって、河川や大人工開水路においても、超音波流量測定装置の測定精度を保持しつつ装置構造をより簡便化した超音波流量計とその流量測定方法およびその流量測定プログラムを提供することを目的とする。

本発明に係る超音波流量計は、上述する課題を解決するため、請求項１に記載したように、とを具備することを特徴とする。測定開始の要求を受け付けてトリガを発生させるトリガ発生手段と、流量測定の基礎となる流速分布を取得する流速分布取得手段と、この流速分布取得手段が取得した流速分布に基づき流量を算出する流量算出手段と、この流量算出手段が算出した流量を流量測定値として表示する流量表示手段とを具備し、前記流速分布取得手段は、流体が流動する流路の表面側から流速分布を取得する水面側流速分布取得手段と、流体が流動する流路の底側から流速分布を取得する水底側流速分布取得手段と、前記水面側流速分布取得手段および水底側流速分布取得手段がそれぞれ取得した流速分布に基づき、流路の深さ方向の流速分布を得る流速分布校正処理手段とを備えることを特徴とする。

上述する課題を解決するため、本発明に係る超音波流量計は、請求項２に記載したように、前記水面側流速分布取得手段および水底側流速分布取得手段は、流量を測定する流体中に超音波パルスを発信する超音波発信手段と、前記流体中で受信した超音波エコーに対応した超音波エコー信号を出力する超音波受信手段と、前記超音波エコー信号を信号処理する信号処理手段と、この信号処理手段が信号処理した超音波エコー信号から前記流体の流速分布を算出する流速分布算出手段とを備え、前記水面側流速分布取得手段の超音波発信手段および超音波受信手段は、流体が流動する流路を跨ぎ流路幅方向に移動自在に設置された水面ユニットに設けられ、前記水底側流速分布取得手段の超音波発信手段および超音波受信手段は、前記流路の底に着面させる水底ユニットに設けられることを特徴とする。

また、上述する課題を解決するため、本発明に係る超音波流量計は、請求項５および６に記載したように、前記水底側流速分布取得手段は、流量を測定する流体中に超音波パルスを発信する超音波発信手段と、前記流体中で受信した超音波エコーに対応した超音波エコー信号を出力する超音波受信手段と、前記超音波エコー信号を信号処理する信号処理手段と、この信号処理手段が信号処理した超音波エコー信号から前記流体の流速分布を算出する流速分布算出手段とを備え、前記水底側流速分布取得手段の超音波発信手段および超音波受信手段は、前記流路の底に着面させる水底ユニットに設けられ、同時刻における複数種類の超音波エコー信号を取得するべく複数かつ同数に構成され、前記水底側流速分布取得手段は、流体中の超音波受信手段が同時刻に取得した複数種類の超音波エコー信号を用いて、前記水底ユニットの傾きの影響を無効化する傾き補正演算処理を行って１つの流速分布を取得する傾き補正演算処理手段を備えることを特徴とする。

さらに、上述する課題を解決するため、超音波流量計は、請求項７に記載したように、前記水底側流速分布取得手段は、流量を測定する流体中に超音波パルスを発信する超音波発信手段と、前記流体中で受信した超音波エコーに対応した超音波エコー信号を出力する超音波受信手段と、前記超音波エコー信号を信号処理する信号処理手段と、この信号処理手段が信号処理した超音波エコー信号から前記流体の流速分布を算出する流速分布算出手段と、前記超音波発信手段および超音波受信手段を設けて前記流路の底に着面させる水底ユニットの３軸方向の傾きを検出する傾き検出手段と、この傾き検出手段が検出した水底ユニットの傾きを考慮した傾き補正演算処理を前記流速分布算出手段が算出した流速分布に対して行う傾き補正演算処理手段とを備えることを特徴とする。

一方、上述する課題を解決するため、本発明に係る超音波流量計は、請求項８に記載したように、前記水面側流速分布取得手段は、前記流体の水深方向の流速分布を前記流体の流速が最大値となる水深を含めて取得し、前記水底側流速分布取得手段は、前記流体の水深方向の流速分布を前記流体により形成される境界層およびこの境界層と定常流領域との境界部分となる水深を含めて取得することを特徴とする。

本発明に係る流量測定方法は、上述する課題を解決するため、請求項１０に記載したように、流量測定の基礎となる流速分布を取得する全体流速分布取得手順と、全体流速分布取得手順で取得した流速分布に基づき流量を測定する流量算出手順と、算出された流量を流量測定値として表示する流量表示手順とを具備し、前記全体流速分布取得手順は、測定開始の要求を受け付けて、測定を開始して良いか否かを確認する測定準備完了確認行程と、流路の水深方向の流速分布を取得する水深方向流速分布取得行程と、他の場所で水深方向の流速分布を測定する必要性の有無について確認する測定残存確認行程とを備えることを特徴とする。

上述する課題を解決するため、本発明に係る流量測定方法は、請求項１２に記載したように、前記水深方向流速分布取得行程は、トリガを発生させるトリガ発生行程と、水面ユニットに設置された超音波受信手段から出力された超音波エコー信号に基づき流体表面側の流速分布を取得する水面側流速分布取得行程と、水底ユニットに設置された超音波受信手段から出力された超音波エコー信号に基づき流路底側の流速分布を取得する水底側流速分布取得行程と、水面側流速分布取得行程および水底側流速分布取得行程で取得したそれぞれの流速分布に基づき、必要なデータ校正処理を施して流量算出用の流速分布を得る流速分布校正処理行程とを備えることを特徴とする。

また、上述する課題を解決するため、本発明に係る流量測定方法は、請求項１３に記載したように、前記水底側流速分布取得行程は、複数の水底側流速分布取得手段が同時刻における水深方向の流速分布をそれぞれ取得する水底側流速分布取得ステップと、この水底側流速分布取得行程で取得された同時刻における水深方向の流速分布の各々を用いて水底ユニットの傾きの影響を無効化する加重平均処理を行う補正演算処理ステップとを備えることを特徴とする。

さらに、上述する課題を解決するため、本発明に係る流量測定方法は、請求項１４に記載したように、前記水底側流速分布取得行程は、単一の水底側流速分布取得が同時刻における水深方向の流速分布をそれぞれ取得する水底側流速分布取得ステップと、この水底側流速分布取得行程で取得された水深方向の流速分布に対し、水底ユニットの傾きを直接的に検出し、検出した傾きにより生じた流速測定誤差を補正する補正演算処理ステップとを備えることを特徴とする。

本発明に係るプログラム（流速分布取得プログラム）は、上述する課題を解決するため、請求項１５に記載したように、測定開始の要求を受け付けて、測定を開始して良いか否かを確認する測定準備完了確認行程と、トリガを発生させるトリガ発生行程と、水面ユニットに設置された超音波受信手段から出力された超音波エコー信号に基づき流体表面側の流速分布を取得する水面側流速分布取得行程と、水底ユニットに設置された超音波受信手段から出力された超音波エコー信号に基づき流路底側の流速分布を取得する水底側流速分布取得行程と、水面側流速分布取得行程および水底側流速分布取得行程で取得したそれぞれの流速分布に基づき、必要なデータ校正処理を施して流量算出用の流速分布を得る流速分布校正処理行程とを備え、流路の水深方向の流速分布を取得する水深方向流速分布取得行程と、他の場所で水深方向の流速分布を測定する必要性の有無について確認する測定残存確認行程とを備えており、流量測定の基礎となる流速分布を取得する全体流速分布取得手順をコンピュータに実行させるプログラムである。

上述する課題を解決するため、本発明に係るプログラム（流速分布取得プログラム）は、請求項１６に記載したように、前記水底側流速分布取得行程として、複数の水底側流速分布取得手段が同時刻における水深方向の流速分布をそれぞれ取得する水底側流速分布取得ステップと、この水底側流速分布取得行程で取得された同時刻における水深方向の流速分布の各々を用いて水底ユニットの傾きの影響を無効化する加重平均処理を行う補正演算処理ステップとをコンピュータに実行させるプログラムである。

さらに、上述する課題を解決するため、本発明に係るプログラム（流速分布取得プログラム）は、請求項１７に記載したように、前記水底側流速分布取得行程として、単一の水底側流速分布取得が同時刻における水深方向の流速分布をそれぞれ取得する水底側流速分布取得ステップと、この水底側流速分布取得行程で取得された水深方向の流速分布に対し、水底ユニットの傾きを直接的に検出し、検出した傾きにより生じた流速測定誤差を補正する補正演算処理ステップとをコンピュータに実行させるプログラムである。

本発明に係る超音波流量計、その流量測定方法およびその流量測定プログラムによれば、１つの超音波トランスデューサで超音波の発信および受信を行い、流速分布または流量を測定し得るので、構造の複雑化を避けることができる。また、流速の変化が大きい流路の表面側および底側で流速分布を取得し、比較的流速の変化が小さい箇所についてはデータ補間することで、測定可能範囲を超える深さをもつ流路においても、流体が流動する表面から底部までの流速分布を取得できる。

従って、河川や大人工開水路においても、超音波流量測定装置の測定精度を保持しつつ装置構造をより簡便化した超音波流量計とその流量測定方法およびその流量測定プログラムを提供することができる。

以下、本発明に係る超音波流量計、その流量測定方法およびその流量測定プログラムについて添付の図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
図１に本発明の第１の実施形態に係る超音波流量計の一実施例である第１の超音波流量計２０について適用場面の一例を説明する説明図を示す。

図１に示す第１の超音波流量計２０の適用場面の一例では、自流式（水路式）の水力発電所において河川を流れる水２１を取水口２２から導水路（山手水路）２３へ導入する場面を示しており、図１に示す適用場面においては、河川側の水路（川手水路）２４に流入する水の流量を測定している。尚、図１に示す矢印２１は、水２１の流動方向を示す。

これらの水路２３，２４は、上方が自由面となる流路、すなわち、開渠（かいきょ）であり、第１の超音波流量計２０は、このような開渠において流量を測定するものである。流量を求める際には、まず、流量の測定対象となる流体（ここでは水となる）が通過する断面における流速分布を求める。そして、求めた流速分布をその断面について積分することによって断面を通過する流体の流量を求める。

このような流速分布から流量を算出する方法は多くの流量計で採用されており、第１の超音波流量計２０も超音波を用いて測定した流速分布を演算処理することにより流量を算出し、算出した流量値を測定流量とするものである。

尚、超音波流量計２０における流速分布および流量測定の基本的な原理は、本案発明者が特開２０００−９７７４２号公報や特開２００３−１３０６９９号公報で開示したドップラ式超音波流量計を利用したものである。従って、流速分布および流量測定の基本的な測定原理や詳細な構成等についてはその説明を割愛する。

また、流量を測定する対象流体は、水以外にも多種の流体に適用できる点についても、上述した公報で説明しているが、以下の説明では、説明を簡潔にするべく流量を測定する対象流体を水２１、流体が流動する流路を水路２４として説明する。

図２に第１の超音波流量計２０の全体的な構成の概略を表した構成概略図を示す。

尚、図２では、水２１が流動する水路２４の軸方向をｘ軸方向、このｘ軸方向と直行する水路２４の幅方向をｙ軸方向、水路２４の水深方向をｚ軸方向として示しているが、これらの３軸方向については、図２以外の他図および以下の本文中の説明においても同様とする。

第１の超音波流量計２０は、測定者（ユーザ）の流量測定要求に基づき、流量測定の対象となる水２１の中において発信した超音波が水中に定常的に混在する粒子（以下、反射体とする）により反射した反射波を受信し、受信した超音波の反射波を信号処理および信号解析して水２１の流速分布を得るものである。また、水２１の流量は、他の流量計と同様に水２１の流速分布を積分演算処理することで算出し、この算出した流量を流量測定結果として表示する。

図２によれば、第１の超音波流量計２０は、流量測定を行う水中において超音波を発信する超音波発信手段および水中に混在する多数の反射体（以下、反射体群とする）により反射した反射波を受信する超音波受信手段として、水中かつ水面（空気および水の境界面）近傍において超音波の発信および受信を行う水面ユニット２６と、流路（川手水路）２４の底に着面して超音波の発信および受信を行う水底ユニット２７とを具備する。

また、第１の超音波流量計２０は、水面ユニット２６が測定対象となる水２１が流動する水路２４の軸方向（ｘ軸方向）と直行する水路２４の幅方向（ｙ軸方向）とほぼ平行にスライド移動可能なように測定対象となる水２１が流動する水路２４を跨いで設けられるガイドレール２８を具備する。

さらに、第１の超音波流量計２０は、水面ユニット２６、水底ユニット２７およびガイドレール２８に加え、水面ユニット２６および水底ユニット２７が行う超音波の発信を制御したり、受信した超音波の反射波から水２１の流速分布を取得し流量を測定するトリガ発生手段、信号処理手段、信号解析手段および流量表示手段としての演算処理ユニット２９とを具備する。つまり、演算処理ユニット２９は、本実施例において、測定者からの測定開始要求を受け付けてトリガを発生したり、受信した超音波の反射波を信号処理および信号解析して流量測定対象となる水の流速分布を取得し、取得した水の流速分布を積分演算処理して流量を算出して、算出した流量値を流量測定値として表示する役割を担う。

第１の超音波流量計２０の水面ユニット２６は、ガイドレール２８に沿って図２中のｙ軸方向に移動可能に取り付けられる。そして、この水面ユニット２６から流量の測定を行う水路２４の水底に接し、かつ、水２１の流れ方向に対して上流を向くように水底ユニット２７が配置される。また、水底ユニット２７と水面ユニット２６との間はユニット接続手段としてのワイヤ３０によって物理的に接続されており、ワイヤ３０の長さを調整することで両ユニット間の距離を自在に調整できる。

さらに、演算処理ユニット２９と水面ユニット２６および水底ユニット２７とは、コネクターコード３１で電気的に接続されており、水面ユニット２６および水底ユニット２７から出力された超音波エコー信号は、コネクターコード３１を介して演算処理ユニット２９に伝送され入力される。

図３に第１の超音波流量計２０の水面ユニット２６について全体的な構成の概略を表した構成概略図を、図４に第１の超音波流量計２０の水底ユニット２７について全体的な構成の概略を表した構成概略図を示す。

図３によれば、第１の超音波流量計２０の水面ユニット２６は、ガイドレール２８に沿う方向（図２中のｙ軸方向）にスライド可能な状態で固着されたベース部３３と、ベース部３３に設置され、ベース部３３をガイドレール２８に沿ってスライド自在に駆動させる動力部３４と、ベース部３３に設置され、流量測定に使用する機器群を設置したブラケット部３５とを備える。

ベース部３３には、ガイドレール２８に沿う方向にスライド移動するためのガイド３７が固定されており、このガイド３７はベース部３３がスライド移動可能なようにガイドレール２８を少し余して掴んでいる。また、動力部３４から動力を得ることで、ベース部３３はガイドレール２８に沿ってスライド自在に移動することができ、水面ユニット２６のスライド移動を実現している。

一方、ブラケット部３５には、流量測定を行うべく水面付近（水面から３０ｃｍ以内）の位置から水底側に向けて超音波を発信し、水中で反射した超音波の反射波を受信する水面側超音波トランスデューサ３８と、水底側の水深方向の流速分布を得る水底ユニット２７に取り付けられる第１のワイヤ３０ａおよび第２のワイヤ３０ｂをそれぞれ巻き取りまたは送り出す第１のワイヤリール３９および第２のワイヤリール４０が設置される。

第１のワイヤリール３９が巻き取りまたは送り出しを行う第１のワイヤ３０ａは、水底ユニット２７の荷重を支えることを主目的としたワイヤである。一方、第２のワイヤリール４０が巻き取りまたは送り出しを行う第２のワイヤ３０ｂは、水底ユニット２７の方向を微調整することを主目的とするワイヤであり、水底ユニット２７の荷重を支えるという点においては補助的な役割を果たす。

図４によれば、第１の超音波流量計２０の水底ユニット２７は、水２１の中での姿勢をできるだけ安定して保持するべく、前方（船首）側および後方（船尾）側を船体中央部分よりも細くした船舶に近い形状をした本体部４１を有し、この本体部４１の中心線上、かつ、船尾部分に水２１の流体抵抗を受けるプレート４２が取り付けられている。

このように構成された水底ユニット２７は、水底ユニット２７を水中で吊った状態（水底に接面していない状態）において、船尾部分に取り付けられたプレート４２が水２１の流体抵抗を受けることで、船首が水２１の流れに対し上流方向を向き易くなる。従って、水２１の流れ方向に対して直行する面を通過する水２１の流速分布を測定するのにより有効である。

また、水底ユニット２７は、水底に着面させた後、第１のワイヤ３０ａおよび第２のワイヤ３０ｂを弛めた状態にあっても、流動する水２１により押し流されず安定した状態を保つのに十分な重量がある。従って、水底に着面させた後においても、測定中の船首方向が安定する。

水底ユニット２７の重量については、水底ユニット２７の安定度を考慮すれば、できるだけ重いほうが良い。しかしながら、水底ユニット２７を吊るワイヤ３０の強度およびワイヤを巻き上げるワイヤリール３９，４０の巻き上げ能力を考慮すれば、できるだけ軽い方が良い。そこで、第１の超音波流量計２０では、水底ユニット２７の安定度、ワイヤ３０の強度およびワイヤを巻き上げるワイヤリール３９，４０の巻き上げ能力を比較考慮した結果、水底ユニット２７の重量を約２５ｋｇとした。

尚、水底ユニット２７の重量は、上記の２５ｋｇに限定されるものではなく、使用環境に応じて、適宜２５ｋｇよりも軽くしたり、重たくしても良い。また、水底ユニット２７は、おもりを事後的に付加および削除することで、重量を可変できる構成としても良い。

水底ユニット２７には、水面上に設置される水面ユニット２６から水底に吊り下げる第１のワイヤ３０ａおよび第２のワイヤ３０ｂを取り付けるワイヤ取付部４３が設けられる。本実施例ではバランス良く水底ユニット２７を吊り下げたり、引き上げたりできるようにワイヤ取付部４３は、水底ユニット２７の前後左右にそれぞれ設けられる。

水底ユニット２７のワイヤ取付部４３は、本体部４１においては、前方、左方および右方にそれぞれ１箇所の計３箇所に取り付けられる。また、プレート４２においては、前方および後方の２箇所に取り付けられる。従って、水底ユニット２７全体としては、計５箇所のワイヤ取付部４３が設けられている。

水底ユニット２７の５箇所のワイヤ取付部４３のうち、第１のワイヤ３０ａが取り付けられるワイヤ取付部４３は、本体部４１の全ワイヤ取付部４３およびプレート４２の前方側のワイヤ取付部４３の計４箇所であり、第２のワイヤ３０ｂが取り付けられるワイヤ取付部４３は、残りの１箇所、すなわち、プレート４２の後方に取り付けられるワイヤ取付部４３となる。

一方、水底ユニット２７の本体部４１は、内部空間を有し、水底ユニット２７を水中に沈めた際にも周囲を覆う水が内部に浸入しないように構成されている。この内部空間には２つの水底側超音波トランスデューサ４５，４６が水面方向に超音波を発信可能に設置されている。尚、水底側超音波トランスデューサ４５，４６および水面側超音波トランスデューサ３８とは、設置場所が異なるだけであり、本質的には同様の超音波トランスデューサである。

水底ユニット２７に設置された２つの水底側超音波トランスデューサ４５，４６のコネクターコード３１は、例えば、図４に示すように、第２のワイヤ３０ｂをガイドにして、水面ユニット２６側から水底ユニット２７のプレート４２の後方まで沈められた後、本体部４１の上面中央付近に設けられたコード導入穴４７に導かれ、各々の水底側超音波トランスデューサ４５，４６と接続される。

また、２つのトランスデューサ４５，４６は、水底ユニット２７の前後および左右の中心位置を通る水深方向（ｚ軸方向）と平行な線Ｌに対して、一方（図４においては超音波トランスデューサ４５）が前（船首）方向に、他方（図４においては超音波トランスデューサ４６）は、後（船尾）方向に同じ角度θで傾けた状態で設置される。

図５に演算処理ユニット２９の代表的な一例について構成概略を表した構成概略図を示す。

演算処理ユニット２９は、いわゆる電子計算機を本発明に係る超音波流量計として機能させるのに必要なプログラム（以下、プログラムをＰＧとする）を備えている。具体的には、図５に示すように、ＰＧを読み出し演算処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）やマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）等の演算処理手段４８と、電子データを一時的に格納するメモリ５０と、電子データを記録して格納する記録手段５１と、測定者が入力を行う入力手段５２と、演算処理結果を表示する表示手段５３と、外部機器とのインターフェース（以下、Ｉ／Ｆとする）を担うＩ／Ｆ手段５４とを備える。

記録手段５１には、演算処理手段４８が読み出し実行可能なＰＧとしてＯＳ（Operating System）等の基本的な処理操作を担う基本処理ＰＧ５６と、流量測定に必要な流速分布を算出し校正して取得する流速分布取得ＰＧ５７と、の流量測定に必要な演算処理を実行する流量測定ＰＧ５８とが格納される。これらのＰＧ５６，５７，５８と演算処理ユニット２９とが協働することによって、演算処理ユニット２９は、水面ユニット２６および水底ユニット２７から取得した超音波エコー信号を信号処理および演算処理し、超音波流量計として機能する。

このように構成される第１の超音波流量計２０では、まず、演算処理ユニット２９が流量測定を開始する旨の要求を受け付け、流量測定開始要求としてのトリガを水面ユニット２６および水底ユニット２７に出力する。次に、水面ユニット２６および水底ユニット２７にトリガが入力されると、水面ユニット２６および水底ユニット２７は、流量測定対象となる水中に超音波を発信する。そして、水中に混在する反射体群により反射した超音波の反射波（超音波エコー）を受信し、受信した超音波エコーに対応する電気信号（以下、超音波エコー信号とする）が水面ユニット２６および水底ユニット２７から演算処理ユニット２９に出力される。

水面ユニット２６および水底ユニット２７から超音波エコー信号を受信すると、演算処理ユニット２９は、受信した超音波エコー信号に対して信号処理および演算処理を行い、その演算処理結果として得られる水２１の流量を演算処理ユニット２９の表示手段５３に表示することができる。また、第１の超音波流量計２０は、ある断面における流速分布を積分して当該断面を通過する水２１の流量を得る原理に基づくものであり、一旦、流速分布を測定している。従って、演算処理ユニット２９において、水２１の流量ではなく流速分布を時系列的に表示するように構成することもできる。

図６に第１の超音波流量計２０を機能的に捉えた構成、すなわち機能ブロックを概略的に表した機能ブロック図を示す。

図６に示す第１の超音波流量計２０は、測定開始の要求を受け付けてトリガを発生させるトリガ発生手段６０と、流量測定の基礎となる流速分布を取得する流速分布取得手段６１と、流速分布取得手段６１が取得した流速分布に基づき流量を算出する流量算出手段６２と、流量算出手段６２が算出した流量を流量測定値として表示する流量表示手段６３とを具備する。

第１の超音波流量計２０を構成する各手段は、演算処理ユニット２９に備えられる演算処理手段４８が基本処理ＰＧ５６、流速分布取得ＰＧ５７および流量測定ＰＧ５８を読み込んで実行することで実現される。第１の超音波流量計２０が具備する上記手段のうち、トリガ発生手段６０および流速分布取得手段６１は、演算処理手段４８が基本処理ＰＧ５６および流速分布取得ＰＧ５７を読み込んで実行することによって、流量算出手段６２および流量表示手段６３は、演算処理手段４８が基本処理ＰＧ５６および流量測定ＰＧ５８を読み込んで実行することによって実現される。

第１の超音波流量計２０におけるトリガ発生手段６０は、測定者からの測定開始の要求を受け付けてトリガを発生する。発生したトリガは、流速分布取得手段６１が超音波パルスを発振するために使用する。また、発生したトリガは、流速分布取得手段６１が超音波エコー信号を信号処理する際に同期を取るためにも使用される。

流速分布取得手段６１は、トリガ発生手段６０が発生したトリガを受信して流量の測定対象である水に発信する超音波を発振する。そして、発振した超音波を水に発信する一方水中の反射体群からの反射波（超音波エコー）を受信する。超音波エコーを受信すると、超音波エコー信号が生成され、この超音波エコー信号を信号処理し解析することで流速分布を取得する。

流量算出手段６２は、流速分布取得手段６１から出力された流速分布に基づき積分演算を行うことで流量を算出する。また、流量表示手段６３は、流量算出手段６２が算出した流量を測定値として表示して測定者が流量の測定値を視認できるように表示する。

第１の超音波流量計２０は、図６のみを見れば、従来のドップラ式超音波流量計とその機能構成に大差はなく本質的に異ならないとも思われる。また、第１の超音波流量計２０の流量測定の原理は、ある断面における流速分布をその断面について積分演算して求めるものであり、この点においても従来のドップラ式超音波流量計と共通している。しかしながら、流量測定の基礎となる流速分布を取得する流速分布取得手段６１の構成および流速分布の取得方法が従来のドップラ式超音波流量計とは相違する。

かかる相違は、流速分布を取得する範囲が広範である等の従来のドップラ式超音波流量計とは適用環境が異なることから生ずる問題を解決するために生じている。より具体的には、図１に示す水路２４のように、一般に幅がｍ単位になると、水路２４を流動する水２１の流速分布を一様な流速分布として取り扱うのは流量測定の測定精度を確保する上で困難であるためである。

そこで、第１の超音波流量計２０では、流速分布取得手段として、水面ユニット２６および水底ユニット２７の２つのユニットを使用して、流速およびその変化率が大きく異なる水底近傍、水面近傍および水路幅方向の壁面近傍において、流速分布の取得を行い、それぞれの取得した流速分布データを演算処理して流量測定用の流速分布を算出する構成としている。

図７に第１の超音波流量計２０の流速分布取得手段６１のより詳細な機能単位を表す機能ブロック図を示す。

第１の超音波流量計２０の流速分布取得手段６１は、水面ユニット２６から伝送された超音波エコー信号に基づき流速分布を取得する水面側流速分布取得手段６５と、水底ユニット２７から伝送された超音波エコー信号に基づき流速分布を取得する水底側流速分布取得手段６６と、水面側流速分布取得手段６５および水底側流速分布取得手段６６が取得したそれぞれの流速分布に基づき、必要なデータ校正処理を施して流量算出用の流速分布を得る流速分布校正処理手段６７とを備える。

流速分布取得手段６１は、水面側流速分布取得手段６５が水面ユニット２６に設置される水面側超音波トランスデューサ３８の位置から水底に向かう方向（図２中におけるｚ軸方向）における流速分布を取得する。その一方で、水底側流速分布取得手段６６が水底ユニット２７に設置される水底側超音波トランスデューサ４５，４６の位置から水面に向かう方向（図２中におけるｚ軸方向）における流速分布を取得する。そして、これらの両流速分布取得手段６５，６６によって水面から水底までの水深方向の流速分布を取得する。

流速分布取得手段６１の水面側流速分布取得手段６５は、トリガの入力を受け付け、トリガが入力されると、超音波パルスを発振して流量測定対象となる水中に超音波パルスを発信する超音波パルス発信部６９と、流量の測定対象となる水中で反射した超音波エコーを受信し、受信した超音波エコーに対応する超音波エコー信号を出力する超音波エコー受信部７０と、入力された超音波エコー信号を信号処理する信号処理部７１と、信号処理された超音波エコー信号から流量測定対象となる水２１の流速分布を算出する流速分布算出部７２とを備える。

すなわち、超音波パルス発信部６９は、水２１の中に超音波パルスを発信する超音波発信手段として、超音波エコー受信部７０は、水中で受信した超音波エコーに対応した超音波エコー信号を出力する超音波受信手段として、信号処理部７１は、超音波エコー信号を信号処理する信号処理手段として、流速分布算出部７２は、信号処理後の超音波エコー信号から水２１の流速分布を算出する流速分布算出手段として機能する。

一方、水底側流速分布取得手段６６は、水面側流速分布取得手段６５とほぼ同様の構成であるが、その構成は若干相違する。この相違は、水底ユニット２７は、測定中の姿勢の安定を図るべく水底に着面させる点に起因する。水路２４の水底には、水２１の流動により生じる運搬・堆積作用によって堆積物が堆積し、凹凸となっているので、水底の凹凸によって傾きが生じて所望の方向に超音波を水中に発信することが困難となる。

そこで、水底の凹凸に起因する水底ユニット２７の傾きの影響を無効化するべく、水底ユニット２７の超音波を発信し受信する超音波トランスデューサを２台等の複数台設置する。例えば、２台の場合には、図４に示すように、水底側超音波トランスデューサ４５，４６を前方および後方に配置する。そして、それぞれの水底側超音波トランスデューサ４５，４６が取得した２つの流速分布を用いて演算処理することで水底ユニット２７の傾きの影響を無効化している。

水底側流速分布取得手段６６は、それぞれの水底側超音波トランスデューサ４５，４６が各々で流速分布を取得する必要性から、第１の水底側超音波トランスデューサ４５から取得された超音波エコー信号に基づき流速分布を算出する第１の水底側流速分布取得手段７５と、第２の水底側超音波トランスデューサ４６から取得された超音波エコー信号に基づき流速分布を算出する第２の水底側流速分布取得手段７６とを備える。

水底側流速分布取得手段６６が備える第１の水底側流速分布取得手段７５は、図７からもわかるように、各々が超音波パルス発信部６９、超音波エコー受信部７０、信号処理部７１および流速分布算出部７２とを備えており、本質的に水面側流速分布取得手段６５と異ならない。また、第２の水底側流速分布取得手段７６については、第１の水底側流速分布取得手段７５と同様である。

さらに、水底側流速分布取得手段６６は、水底ユニット２７の傾きの影響を無効化する傾き補正演算処理手段としての傾き補正演算処理部７７をさらに備える。この傾き補正演算処理部７７が第１の水底側流速分布取得手段７５および第２の水底側流速分布取得手段７６で各々取得された流速分布を用いて加重平均処理を施す。傾き補正演算処理部７７が行う加重平均処理によって水底ユニット２７の傾きの影響を相殺して無効化する。

図８に水底ユニット２７の傾きの影響を無効化するべく傾き補正演算処理部７７が行う加重平均処理の原理について説明する説明図を示す。

図８に示される水底ユニット２７は、ｘ軸に対して平行な状態（理想測定状態）ではなく、ｘ軸に対してα傾いており、ｘ軸に対して先端が起きた状態にある。図８に示される場合において、船首（前）方向を向いて取り付けられる第１の水底側超音波トランスデューサ４５が流速として測定する流速値Ｖfは、実際の流れ方向を（ｘ，ｙ，ｚ）＝（Ｕ，０，０）とした場合、実際の流速値はＵであり、このＵを用いて、

のように表すことができる。

一方、船尾（後）方向を向いて取り付けられる第２の水底側超音波トランスデューサ４６が流速として測定する流速値Ｖrは、実際の流れ方向が（ｘ，ｙ，ｚ）＝（Ｕ，０，０）なので、実際の流速値Ｕを用いて

のように表すことができる。

水底ユニット２７で取得された流速分布に基づき、算出される流速は、上記の数式（１）および（２）の２つの数式に加重平均処理を施した値である。加重平均処理とは、各数式に重み付けをした平均処理である。水底ユニット２７に設置された２つのトランスデューサ４５，４６が前後対称な状態にあることを考慮して、その重み付けを１：１として加重平均を算出すれば、加重平均流速値Ｖは実際の流速値Ｕを用いて

のように表すことができる。

さらに、数式（３）の式を三角関数の加法定理を使用して式を展開すれば、
［数４］
Ｖ＝Ｕcosα…（４）
となる。

従って、傾きαに起因する流速についての測定誤差率は、上記数式（４）を用いて計算すれば、１−cosαとなる。実際の測定環境で想定し得るαの最大値を５°（勾配率８．７％）とした場合、水底ユニット２７の傾きαによる流速測定の誤差率は約０．４％となり、実用範囲として要求される測定誤差（３％以内）を十分満足することができる。

尚、実際の測定環境下では、水２１の流れ方向が、水深方向のベクトル成分を持つ場合がある。しかしながら、流量または流速分布の測定時において、水２１の流れ方向について水深方向のベクトル成分を持つ地点を避けて測定することも十分可能なので、水２１の流れの方向が水深方向成分を持つ地点を避けて流速分布を測定する場合、流速測定の誤差率は、傾きαに専ら依存すると考えて差し支えない。

敢えて、水２１の流れの方向が水面からβ傾いている地点（流速をＵとする）で流速の測定を行うとした場合、第１のトランスデューサ４５および第２のトランスデューサ４６は、水面と平行な流れ成分であるＵcosβを流速値として算出することになる。

従って、水面からの水２１の流れ方向の傾き角度がβという点およびＵがＵcosβとなる点を考慮して、上記数式（１）〜（３）を計算をすれば、加重平均流速値Ｖは実際の流速値Ｕを用いて

のように表すことができ、さらに、数式（５）の式を三角関数の加法定理を使用して式を展開すれば、
［数６］
Ｖ＝Ｕcosβ（cosα−sinαtanβ）…（６）
となる。

従って、水底ユニット２７の傾きαおよび水２１の流れ方向の傾き角度βに起因する流速についての測定誤差率は、上記数式（６）を使用して計算すれば、１−cosα＋sinαtanβとなる。仮にβが、αと同じ５°である場合を想定しても、測定誤差率は、約１．２％であり、実用範囲として要求される測定誤差（３％以内）を十分満足することができる。

流速分布校正処理手段６７は、水面側流速分布取得手段６５が取得した流速分布と水底側流速分布取得手段６６が取得した流速分布とを用いて流量計算に使用する水深方向の流速分布を校正する。

流体の水深方向における流速は、一般に水面よりやや深い部分で最大の流速となる。そして、流速が最大となる水深よりも水底側（境界層でない箇所）では、流速がほぼ一定となる定常流領域となる。さらに、定常領域から水底方向に進んで壁面となる水底に近づくと、ある水深を境にして水底に近づくにつれ流速が遅くなる特性がある。

水底に近づくにつれ流速が遅くなるのは、水底側に境界層が形成されるためである。ここで、境界層とは、一般的に定常流領域における水２１の流速（主流速度）の０〜９９％となる領域である。

このような流体の特性を利用して、水面側の流速分布は、水面側流速分布取得手段６５が取得した流速分布を採用し、水底側の流速分布は水底側流速分布取得手段６６が取得した流速分布を採用して校正する。換言すれば、水面側流速分布取得手段６５は、最大流速となる地点（水深）を含む流速分布を測定し取得するための手段であり、水底側流速分布取得手段６６は、境界層における流速分布を測定し取得するための手段である。

図９に第１の超音波流量計２０を用いて行う本発明の流量測定方法（以下、第１の流量測定方法とする）を行う際、流速分布の測定を行う場所について説明する説明図を示す。

図９に示される流路は、図１に示す第１の超音波流量計２０の適用場面と対応しており、水路２４である。この水路２４を流動する水２１の流量を測定するにあたり、第１の流量測定方法では、開渠の水路幅方向の流速分布が、水路幅の中央を結ぶ中心線（図９に示す１点鎖線）に対して略線対称となることに着目し、一方の流速分布を得ることで、他方の流速分布を推定し得ることにしている。

また、第１の流量測定方法では、水路幅（ｙ軸方向）の中央を結ぶ中心線に対する左右のいずれか一方の流速分布を得るべく、３箇所で流速分布の測定を行う。具体的には、図９に示すように、（１）側壁近傍領域、（２）速度境界領域、（３）流路中央領域での測定を行う。

ここで、側壁近傍領域とは、一般に知られる開渠を流動する流体の幅方向の流速分布において壁面側に形成される流速変化率の大きい領域をいう。水深側の流速分布を取得する位置は、側壁近傍領域における水路２４の幅方向に対する流速変化をより容易に捉える観点から側壁近傍領域となる側壁からの距離に対する中央位置とする。具体的には、側壁から６０ｃｍとし、側面の速度境界層厚さの推定値（５０ｃｍ）に対して余裕をもたせる。

尚、水面ユニット２６は、水面ユニット２６および水底ユニット２７が水深方向の流速分布を測定可能な状態で最も水路２４の側壁側に移動した場合、水面ユニット２６および水底ユニット２７が側壁近傍領域に位置するように構成される。

速度境界領域とは、水路２４の中央側に形成され、水路幅方向の位置によらず流速の変化がほとんどない領域と側壁近傍領域との境界であり、流量算出に影響を及ぼさない範囲を許容した領域である。流路中央領域とは、水路２４のほぼ中央であり、流量算出に影響を及ぼさない範囲を許容した領域、換言すれば、水２１の流速が主流速度となる定常流領域である。

尚、流量算出に影響を及ぼさない範囲は、水路２４の幅や測定時に要する測定精度によっても変化するので、一義的に定義はできないが、およそ、５０ｃｍ以上離れた範囲内と考えられる。

このように、水路幅（ｙ軸方向）に対し、３箇所で流速分布の測定を行うのは、１箇所を測定するのみでは、流量測定の基礎データとして使用し得る精度で流速分布が取得できないためである。そこで、第１の流量測定方法では、一般に知られる開渠を流動する流体の幅方向の流速分布に倣い、流速変化率の高い側壁から１ｍ未満の範囲を細かく測定し、その他の範囲は、測定した上記（１）〜（３）の流速分布を用いて補間することで幅広い水路２４における流速分布の取得を行う。

尚、図９に示す例では、第１の超音波流量計２０を１個用いて、時間差で流速分布の測定を行っているが、測定の順番は任意で良い。また、第１の超音波流量計２０を１個ではなく、各箇所に１個ずつ計３個の第１の超音波流量計２０を用いて同時に行っても良い。

次に、図１０に第１の超音波流量計２０を用いて行う第１の流量測定方法について手順を追って説明する説明図（処理フロー図）を示す。

第１の流量測定方法は、図９に示す（１）〜（３）の場所のそれぞれにおいて、演算処理ユニット２９の演算処理手段４８が基本処理ＰＧ５６、流速分布取得ＰＧ５７および流量測定ＰＧ５８を読み出して実行することで、演算処理ユニット２９が図６に示す各手段として機能することでなされる。従って、図６に示す各手段が水路２４を流動する水２１の流量の測定を行うこととなる。

図１０によれば、第１の流量測定方法は、流量測定の基礎となる流速分布を取得する全体流速分布取得手順（ステップＳ１）と、全体流速分布取得手順で取得した流速分布に基づき流量を測定する流量算出手順（ステップＳ２）と、算出された流量を流量測定値として表示する流量表示手順（ステップＳ３）とを具備する。

第１の流量測定方法を開始するには、まず、流速分布を取得する測定箇所に第１の超音波流量計２０の水面ユニット２６および水底ユニット２７の位置決めを行う必要がある。具体的には、（１）側壁近傍領域、（２）速度境界領域、（３）流路中央領域のうちのいずれかに位置決めする。例えば、上記（１）に水面ユニット２６および水底ユニット２７を位置決めする。

水面ユニット２６が流速分布を測定する位置に位置決めするには、ガイドレール２８に沿って水面ユニット２６をスライド移動させることで行うことができる。水面ユニット２６は、測定者の遠隔操作によって、動力部３４を作動させることができ、動力部３４が作動することによって、ガイドレール２８に沿って流速分布を測定する位置に移動することができる。

一方、水底ユニット２７を位置決めするには、水面ユニット２６をスライド移動させる（位置決めする）前に、予め、水底ユニット２７を水面ユニット２６から吊り下げ可能な状態に設置しておく必要がある。そして、水面ユニット２６の位置決めをした後に、ワイヤリール３９，４０からワイヤ３０を送り出すことで、水面ユニット２６を位置決めした場所から、水底ユニット２７を水底に沈めることで行う。

ワイヤリール３９，４０が、ワイヤ３０を送り出したり、巻き戻したりする動作は、測定者の遠隔操作によって、ワイヤリール３９，４０を順方向または逆方向に回転動作させることで行う。ワイヤリール３９，４０を作動させると、ワイヤ３０の長さが変化し、水底ユニット２７を水面側から水底側に沈めたり、水底側から位置決めすることができる。

尚、水底に水底ユニット２７が着面したら、第１のワイヤ３０ａおよび第２のワイヤ３０ｂを弛めておく。両ワイヤ３０ａ，３０ｂを弛めておくのは、両ワイヤ３０ａ，３０ｂに余計な荷重がかかるのを防止するとともに、両ワイヤ３０ａ，３０ｂが水底側超音波トランスデューサ４５，４６から水中に発信される超音波と干渉しないようにするためである。

次に、水面ユニット２６および水底ユニット２７の位置決めが完了したら、演算処理手段４８が基本処理ＰＧ５６および流速分布取得ＰＧ５７を実行して流量測定をいつでも開始できる状態（初期状態）とする必要がある。初期状態になると、演算処理ユニット２９は、測定開始の要求を待機する測定開始要求待機状態となる。そして、演算処理ユニット２９の演算処理手段４８が測定開始の要求を認識すると、ステップＳ１に進み、ステップＳ１で全体流速分布取得手順がなされる。

図１１に全体流速分布取得手順（ステップＳ１）における処理行程を順を追って説明する説明図（処理フロー図）を示す。

図１１によれば、全体流速分布取得手順は、測定開始の要求を受け付けて、測定を開始して良いか否かを確認する測定準備完了確認行程（ステップＳ１１）と、流路の水深方向の流速分布を取得する水深方向流速分布取得行程（ステップＳ１２〜ステップＳ１８）と、他の場所で水深方向の流速分布を測定する必要性の有無について確認する測定残存確認行程（ステップＳ１９）とを備える。

水深方向流速分布取得行程は、トリガを発生させるトリガ発生行程（ステップＳ１２）と、水面ユニット２６に設置された水面側超音波トランスデューサ３８が出力した超音波エコー信号に基づき水面側の流速分布を取得する水面側流速分布取得行程（ステップＳ１３〜ステップＳ１６）と、水底ユニット２７に設置された水底側超音波トランスデューサ４５，４６が出力した超音波エコー信号に基づき水路２４の底側の流速分布を取得する水底側流速分布取得行程（ステップＳ１３〜ステップＳ１７）とを備える。

また、水深方向流速分布取得行程は、トリガ発生行程、水面側流速分布取得行程および水底側流速分布取得行程に加え、水面側流速分布取得行程および水底側流速分布取得行程で取得したそれぞれの流速分布に基づき、必要なデータ校正処理を施して流量算出用の流速分布を得る流速分布校正処理行程（ステップＳ１８）をさらに備える。

全体流速分布取得手順では、まず、ステップＳ１１で測定準備完了確認行程がなされる。測定開始の要求を受け付けて、トリガを発生させて良いか否か、すなわち、測定を開始する準備ができているか否かを確認する。トリガを発生させて良いか否かの確認は、演算処理ユニット２９の演算処理手段４８が表示手段５３に表示し、測定者からの確認結果を認識することで行う。

測定準備完了確認行程で、演算処理ユニット２９の演算処理手段４８が測定者からの確認結果を認識し、トリガを発生させて良い旨の確認結果を認識した場合（ステップＳ１１でＹＥＳの場合）、測定準備完了確認行程を完了し、続いて、ステップＳ１２でトリガ発生行程がなされる。

トリガ発生行程では、トリガ発生手段６０がトリガを発生する。そして、発生したトリガを流速分布取得手段６１に送ると、ステップＳ１２のトリガ発生行程を完了する。トリガ発生行程を完了すると、続いて、ステップＳ１３に進み、ステップＳ１３で水面側流速分布取得行程および水底側流速分布取得行程がなされる。

流速分布取得手順の水面側流速分布取得行程（ステップＳ１３〜ステップＳ１６）は、ステップＳ１のトリガ発生手順において発生したトリガを受信し超音波パルスを発振して流量測定対象となる水中に超音波パルスを発信する超音波パルス発信ステップ（ステップＳ１３）と、流量の測定対象となる水中で反射した超音波エコーを受信し、受信した超音波エコーに対応する超音波エコー信号を出力する超音波エコー受信ステップ（ステップＳ１４）と、超音波エコー信号を信号処理する信号処理ステップ（ステップＳ１５）と、信号処理された超音波エコー信号から流量測定対象となる水の流速分布を算出する流速分布算出ステップ（ステップＳ１６）とを備える。

一方、水底側流速分布取得行程は、第１の水底側流速分布取得手段７５が行う第１の水底側流速分布取得ステップ（ステップＳ１３〜ステップＳ１６）および第２の水底側流速分布取得手段７６が行う第２の水底側流速分布取得ステップ（ステップＳ１３〜ステップＳ１６）に加え、第１の水底側流速分布取得ステップおよび第２の水底側流速分布取得ステップで取得された同時刻における水深方向の流速分布の各々を用いて水底ユニット２７の傾きの影響を無効化する加重平均処理を行う傾き補正演算処理ステップ（ステップＳ１７）をさらに備える。

水面側流速分布取得行程は、水面側流速分布取得手段６５が水面ユニット２６に設置される水面側超音波トランスデューサ３８の位置から水底に向かう方向（図２中におけるｚ軸方向）における流速分布を取得することでなされる。また、水底側流速分布取得行程は、水底側流速分布取得手段６６が水底ユニット２７に設置される水底側超音波トランスデューサ４５，４６の位置から水面に向かう方向（図２中におけるｚ軸方向）における流速分布を取得することでなされる。

尚、水底側流速分布取得行程における第１の水底側流速分布取得ステップおよび第２の水底側流速分布取得ステップは、処理内容としては水面側流速分布取得行程と本質的に異ならない。すなわち、第１の水底側流速分布取得ステップおよび第２の水底側流速分布取得ステップは、超音波パルス発信ステップ（ステップＳ１３）と、超音波エコー受信ステップ（ステップＳ１４）と、信号処理ステップ（ステップＳ１５）と、流速分布算出ステップ（ステップＳ１６）とを備える。

また、以下の説明では、第１の水底側流速分布取得ステップおよび第２の水底側流速分布取得ステップの処理ステップのいずれかを明確に区別するため、以下、第１の水底側流速分布取得ステップにおける処理ステップについては、「第１の〜ステップ」とし、第２の水底側流速分布取得ステップにおける処理ステップについては、「第２の〜ステップ」とする。

このような全体流速分布取得手順（ステップＳ１１〜ステップＳ１９）では、水面側流速分布取得行程（ステップＳ１３〜ステップＳ１６）および水底側流速分布取得行程（ステップＳ１３〜ステップＳ１７）が並行してなされる。そして、水面側流速分布取得行程および水底側流速分布取得行程が完了すると、続いて、ステップＳ１８以降の処理行程がなされる。

一方、水底側流速分布取得行程に着目すると、水底側流速分布取得行程では、まず、第１の水底側流速分布取得ステップ（ステップＳ１３〜ステップＳ１６）および第２の水底側流速分布取得ステップ（ステップＳ１３〜ステップＳ１６）が並行してなされ、第１の水底側流速分布取得ステップ（ステップＳ１３〜ステップＳ１６）および第２の水底側流速分布取得ステップ（ステップＳ１３〜ステップＳ１６）が完了すると、ステップＳ１７に進み、ステップＳ１７の傾き補正演算処理ステップがなされる。

従って、水面側流速分布取得行程（ステップＳ１３〜ステップＳ１６）、水底側流速分布取得行程の第１の水底側流速分布取得ステップ（ステップＳ１３〜ステップＳ１６）および第２の水底側流速分布取得ステップ（ステップＳ１３〜ステップＳ１６）の３つの処理行程は、処理内容に関していずれも同様である。そこで、ステップＳ１３〜ステップＳ１６の処理ステップについては、代表して水面側流速分布取得行程を例として説明する。

水面側流速分布取得行程では、まず、ステップＳ１３で超音波パルス発信ステップがなされる。超音波パルス発信ステップでは、超音波発信部６９がトリガを受信して超音波パルスの発振を行う。発振された超音波パルスは、超音波発信部６９から流量測定対象となる水中に発信される。超音波発信部６９が発振した超音波パルスを流量測定対象となる水中に発信すると、超音波パルス発信ステップは完了してステップＳ１４に進む。そして、ステップＳ１４で超音波エコー受信ステップがなされる。

超音波エコー受信ステップでは、超音波エコー受信部７０が流量測定対象となる水中に混在する反射体群で反射した超音波エコーを受信する。超音波エコー受信部７０が超音波エコーを受信すると、超音波エコー受信部７０は超音波エコーに対応する超音波エコー信号を出力する。超音波エコー信号が出力されると、超音波エコー受信ステップは完了し、ステップＳ１５に進む。そして、ステップＳ１５で信号処理ステップがなされる。

信号処理ステップでは、信号処理部７１が超音波エコー受信部７０から出力された超音波エコー信号およびトリガ発生手段６０から出力されるトリガを受け取り、超音波エコー信号の信号処理を行う。信号処理部７１は、信号処理として超音波エコー信号に重畳するノイズ成分の低減を目的としたノイズ低減処理およびアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換（以下、ＡＤ変換とする）を行う。

また、信号処理部７１はトリガ発生手段６０から出力されるトリガを受け取っているが、トリガは、超音波エコー信号のＡＤ変換するタイミングを取る（同期を取る）ために使用される。受信した超音波エコー信号に対してアナログ信号からデジタル信号に変換すると、信号処理ステップは完了してステップＳ１６に進む。そして、ステップＳ１６で流速分布算出ステップがなされる。

流速分布算出ステップでは、流速分布算出部７２がジタル信号化された超音波エコー信号を受信して、流量算出に必要な流速分布を算出する。流速分布算出ステップで算出する流速分布は、水深方向（図２におけるｚ軸方向）の流速分布である。流速分布の算出は、水中に混在する反射体群の個々の反射体における位置およびその位置における反射体の速度を求めることにより行う。水に混在する反射体群は水とともに移動するので、反射体の速度は、その反射体の位置における水の流速とみなすことができるからである。

反射体の速度は、超音波エコー信号を信号解析することによって、流量測定対象となる水中に混在する反射体を一定時間間隔で追跡した位置情報を取得することができるので、一定時間間隔における反射体の移動距離を求めることができる。あとは、単位時間当たりの移動距離に換算すれば、速度を得ることができる。このようにして水中に混在する各々の反射体から反射された超音波エコーを取得することで反射体の位置および速度が求まり、ひいては水中の水深方向における流速分布を取得ことができる。

流速分布算出部７２が流速分布を算出すると、流速分布算出ステップは完了し、流速分布算出ステップの完了をもって水面側流速分布取得行程も完了する。水面側流速分布取得行程が完了すると、次に、ステップＳ１８に進む。尚、ステップＳ１８の処理ステップは、水面側流速分布取得行程（ステップＳ１３〜ステップＳ１６）および水底側流速分布取得行程（ステップＳ１３〜ステップＳ１７）が完了した後になされる。

一方、水底側流速分布取得行程では、まず、第１の水底側流速分布取得ステップ（ステップＳ１３〜ステップＳ１６）および第２の水底側流速分布取得ステップ（ステップＳ１３〜ステップＳ１６）が並行してなされる。そして、第１の水底側流速分布取得ステップ（ステップＳ１３〜ステップＳ１６）および第２の水底側流速分布取得ステップ（ステップＳ１３〜ステップＳ１６）が完了すると、次に、ステップＳ１７に進み、ステップＳ１７で水底側流速分布取得手段６６の傾き補正演算処理部７７が傾き補正演算処理ステップを実行する。

まず、ステップＳ１５の傾き補正演算処理ステップでは、水底側流速分布取得手段６６の傾き補正演算処理部７７が傾き補正演算処理を実行する。傾き補正演算処理は、第１の水底側流速分布取得ステップおよび第２の水底側流速分布取得ステップでそれぞれ取得された流速分布を用いてなされる。

傾き補正演算処理部７７は、第１の水底側流速分布取得ステップおよび第２の水底側流速分布取得ステップでそれぞれ取得された流速分布を用いて、第１の水底側超音波トランスデューサ４５および第２の水底側超音波トランスデューサ４６の位置関係から、加重平均処理を行い、水底ユニット２７の傾きをキャンセルする。

傾き補正演算処理部７７が傾き補正演算すると、傾き補正演算処理ステップは完了し、ステップＳ１８に進む。そして、ステップＳ１８で流速分布校正処理行程がなされる。

流速分布校正処理行程では、流速分布校正処理手段６７が、水面側の流速分布と傾き補正後の水底側の流速分布とを用いて、水面から水底までの水深方向の流速分布を演算処理することによって取得する。水面側の流速分布は、水面側流速分布取得手段６５が水面側流速分布取得行程を行うことによって取得されるものであり、水底側の流速分布は、水底側流速分布取得手段６６が水底側流速分布取得行程を行うことによって取得される。

また、流速分布校正処理手段６７が取得する水面から水底までの水深方向の流速分布は、流体力学で導かれる開渠を流動する水２１の水深方向の流速分布を考慮した演算処理を行った結果、得られるものである。つまり、水面および水底から１．５ｍ以内の範囲では、水２１の流速の変化が大きく、水面からも水底からも１．５ｍ以上離れている範囲では、水２１の流速の変化がほとんどない（流速がほぼ一定）点を考慮している。

より具体的に説明すれば、水面および水底から１．５ｍ以内の範囲については、流速の変化が大きく流速の正確な推定が困難なので、水面側の流速分布と水底側の流速分布とを別々のユニット、すなわち、水面ユニット２６および水底ユニット２７が取得している。一方、その他の水深については、流速がほぼ一定とみなせることから取得した水面側の流速分布と水底側の流速分布を用いて、流速分布が取得されていない水深の流速のデータを補間する演算処理を行うことで、水面から水底までの水深方向の流速分布を取得する。

水面から１．５ｍ程度の範囲としているのは、水２１の流速ピーク値が水面に比較的近い箇所（少なくとも、従来の超音波流量計で測定可能といわれる１．５ｍ以下）に現れる点を考慮したものである。一方、水底から１．５ｍ程度の範囲としているのは、水底付近に形成される境界層の大きさが、実用レベルでは大きく見積もっても、従来の超音波流量計で測定可能といわれる１．５ｍ以下には収まる点を考慮したものである。

一方、水面および水底から１．５ｍ以内の範囲にあっても、水面側超音波トランスデューサ３８および水底側超音波トランスデューサ４５，４６が水２１の流速を測定できない水深がある。水面側超音波トランスデューサ３８および水底側超音波トランスデューサ４５，４６が水２１の流速を測定できない水深については、水面および水底から１．５ｍ以内の範囲にあっても、水２１の流速のデータを補間する必要がある。

具体的には、水面側超音波トランスデューサ３８および水底側超音波トランスデューサ４５，４６の死角ともいうべき位置、すなわち、水面から水面側超音波トランスデューサ３８の先端部までの水深および水底から水底側超音波トランスデューサ４５，４６の先端部までの水深である。尚、水面から水面側超音波トランスデューサ３８の先端部までの水深および水底から水底側超音波トランスデューサ４５，４６の先端部までの水深が小さく流量測定に支障がないと判断できる場合には、データの補間を行わずに無視しても構わない。

図１２は、流速分布校正処理手段６７が流速分布校正処理行程を実行して取得した水面から水底までの水深方向の流速分布の一例である。

流速分布校正処理手段６７が、流速分布校正処理行程を実行し、図１２に示すような水面から水底までの水深方向の流速分布を取得すると、流速分布校正処理行程を完了する。流速分布校正処理行程の完了は、図９に示す（１）、（２）または（３）のいずれかの位置における水深方向（水面から水底）の流速分布の取得が完了したことを意味する。

尚、図２に示される超音波流量計２０の場合、水面から水底までの水深方向の流速分布は、演算処理ユニット２９の表示手段５３に表示させることもできる。しかしながら、全体流速分布取得手順の処理行程上、必ずしも表示させる必要がない任意の行程であるため、図１１の説明図から水深方向の流速分布を表示手段に表示する行程は省略している。

流速分布校正処理行程が完了すると、ステップＳ１９に進み、ステップＳ１９で測定残存確認行程がなされる。測定残存確認行程を行うのは、水路２４を流動する水２１の流量を算出するのに必要な水路２４の幅方向（図２におけるｙ軸方向）の流速分布を取得する必要があるからである。つまり、水路２４の幅方向（図２におけるｙ軸方向）の流速分布を取得するには、図９に示す（１）、（２）および（３）のそれぞれの場所で水深方向の流速測定を行っておく必要がある。

そこで、測定残存確認行程では、流速分布を測定する場所が残存しているか否か、すなわち、他の場所で流速分布を測定する必要性が有るか無いかを確認する。流速分布を測定する場所が残存しているか否かの確認は、演算処理ユニット２９の演算処理手段４８が表示手段５３に表示し、測定者からの確認結果を認識することで行う。

流速分布を測定する場所が残存している場合（ステップＳ１９でＹＥＳの場合）、未測定の場所、すなわち、（２）または（３）の位置に水面ユニット２６および水底ユニット２７を移動し、位置決めした後、位置決めした場所において、ステップＳ１１に進み、ステップＳ１１以降の処理行程を行う。

一方、全体流速分布取得手順の測定準備完了確認行程において、演算処理手段４８が、トリガを発生させられない、すなわち、測定の準備が完了していない旨の確認結果を認識した場合（ステップＳ１１でＮＯの場合）、ステップＳ１１に進み、ステップＳ１１以降の処理行程を繰り返す。

また、全体流速分布取得手順の測定残存確認行程において、流速分布を測定する全ての場所、すなわち、図９に示す（１）〜（３）のそれぞれの位置で流速分布の測定が完了している場合（ステップＳ１９でＮＯの場合）、全体流速分布取得手順の全処理行程を完了する（ＥＮＤ）。

全体流速分布取得手順（ステップＳ１）が完了すると、次に、ステップＳ２に進み、ステップＳ２で流量算出手順がなされる。流量算出手順では、流量算出手段６２が、全体流速分布取得手順において取得した水路２４を流動する水２１の水路幅方向および水深方向の流速分布を用いて、流量の算出を行う。流量算出は、上述したように流速分布を水路２４全体について積分演算することにより行うことができる。

流量算出手段６２が、流量測定の対象となる水２１の流量を算出すると、ステップＳ２の流量算出手順を完了する。流量算出手順を完了すると、続いて、ステップＳ３に進み、ステップＳ３で流速表示手順がなされる。流量表示手順では、流量表示手段６３が、流量算出手順において算出された流量を流量測定値として演算処理ユニット２９が備える表示手段５３に表示する。流量測定値が表示手段５３に表示されると、ステップＳ３の流量表示手順は完了し、第１の流量測定方法は完了する。

第１の超音波流量計２０、第１の流量測定方法および第１の流量測定方法を実行するＰＧ（流速分布取得ＰＧ５７および流量測定ＰＧ５８）によれば、水面ユニット２６、水底ユニット２７、ガイドレール２８および演算処理ユニット２９という簡便な装置構成で水路２４を流動する水２１の水路幅方向および水深方向の流速分布を取得することができる。また、取得した水２１の水路幅方向および水深方向の流速分布を演算処理することで、流量を測定することができる。

従って、河川や大人工開水路においても、流量測定の測定精度を保持しつつ装置構成を従来の超音波流量計より簡便化した超音波流量計とその流量測定方法およびその流量測定ＰＧを提供することができる。

尚、第１の超音波流量計２０では、水底側超音波トランスデューサが２本であるが、３本であっても良い。水底側超音波トランスデューサが３本の場合、傾き角度のパラメータは１つ増えることになるが、傾きの補正についての考え方は、２本の場合と全く同様である。

[第２の実施形態]
本発明の第２の実施形態に係る超音波流量計（以下、第２の超音波流量計とする）８０は、第１の超音波流量計２０と比べて、水底ユニット２７の代わりに水底ユニット２７Ａを具備する点と、演算処理ユニット２９が読み出して実行するＰＧのうち、流速分布取得ＰＧ５７が流速分布取得ＰＧ５７Ａとなる点とで相違するがその他の点においては相違しない。そこで、本質的に相違しない箇所については同じ符号を付して説明を省略する。

第２の超音波流量計８０の適用場面は、第１の超音波流量計２０の適用場面と同様の場面で適用する。すなわち、図１に示す第１の超音波流量計２０を第２の超音波流量計８０と読み替えれば第２の超音波流量計８０の適用場面となる。

第２の超音波流量計８０は、水面ユニット２６と、水底に着面して超音波の発信および受信を行う水底ユニット２７Ａと、ガイドレール２８と、演算処理ユニット２９を具備している。また、演算処理ユニット２９が読み出して実行するＰＧには、基本処理ＰＧ５６、流速分布取得ＰＧ５７Ａおよび流量測定ＰＧ５８がある。

つまり、第２の超音波流量計８０の構成概略図は、図２に示す第１の超音波流量計２０の構成概略図において水底ユニット２７を水底ユニット２７Ａに、演算処理ユニット２９が読み出して実行するＰＧのうち、流速分布取得ＰＧ５７を流速分布取得ＰＧ５７Ａに読み替えたものに相当する。従って、第２の超音波流量計８０の構成概略図については図を省略し、第１の超音波流量計２０と異なる水底ユニット２７Ａ流速分布取得ＰＧ５７Ａについて説明する。

図１３に第２の超音波流量計８０の水底ユニット２７Ａについて全体的な構成の概略を示す構成概略図を示す。

図１３によれば、水底ユニット２７Ａは、本体部４１にプレート４２を取り付けている点で水底ユニット２７と本質的に同じであるが、本体部４１の内部空間に設置される超音波トランスデューサが水底側超音波トランスデューサ４５の１つである点と、流れ方向（図２におけるｘ軸方向）、水路幅方向（図２におけるｙ軸方向）、水深方向（図２におけるｚ軸方向）に対する傾きを検出する傾き検出手段としての３次元角度検出装置８２を本体部４１の内部空間に設置している点で相違する。

３次元角度検出装置８２は、水底ユニット２７Ａの本体部４１に設置され、本体部４１の３軸方向の傾きを直接的に検出する。３次元角度検出装置８２が検出した傾き情報は、コネクターケーブル３１を介して演算処理ユニット２９が受け取り、そして、検出した傾き情報を考慮して流速分布を求める。

つまり、第１の超音波流量計２０では、流速分布を求める際に、水底ユニット２７の傾きを演算処理によって無効化するのに対し、第２の超音波流量計８０では３軸方向の傾きを直接的に検出して、検出した傾き情報を考慮して流速分布を求める点で相違する。このような相違から、第２の超音波流量計８０の機能は、第１の超音波流量計２０の機能と相違する。

尚、本実施例における第２の超音波流量計８０においては、傾き検出手段を３次元角度検出装置８２としたが、必ずしも３次元角度検出装置８２に限定されない。傾き検出手段とは、３次元（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）の角度を検出する手段であるから結果として３次元の角度を検出することができれば良く、必ずしも単一装置である必要は無い。

図１４に第２の超音波流量計８０を機能的に捉えた構成、すなわち機能ブロックを概略的に表した機能ブロック図を示す。

図１４に示す第２の超音波流量計８０を構成する各手段は、演算処理ユニット２９に備えられる演算処理手段４８が基本処理ＰＧ５６、流速分布取得ＰＧ５７Ａおよび流量測定ＰＧ５８を読み込んで実行することで実現される。尚、流速分布取得ＰＧ５７と流速分布取得ＰＧ５７Ａとの違いは、流速分布取得手段６１を実現するか流速分布取得手段６１Ａを実現するかの違いであり、その他の点は本質的に異ならない。

従って、演算処理ユニット２９の演算処理手段４８が基本処理ＰＧ５６、流速分布取得ＰＧ５７Ａおよび流量測定ＰＧ５８を読み込んで実行することで実現される第２の超音波流量計８０は、第１の超音波流量計２０に対して流速分布取得手段６１を具備する代わりに流速分布取得手段６１Ａを具備する点で相違し、流速分布取得手段６１Ａは、第１の超音波流量計２０の流速分布取得手段６１に対し、水底側流速分布取得手段６６に代わり水底ユニット２７Ａから伝送された超音波エコー信号に基づき流速分布を取得する水底側流速分布取得手段６６Ａを備える点で相違する。

図１４によれば、流速分布取得手段６１Ａの水底側流速分布取得手段６６Ａは、水面側流速分布取得手段６５が備える超音波パルス発信部６９と、超音波エコー受信部７０と、信号処理部７１とおよび流速分布算出部７２に加え、水底ユニット２７Ａの３軸方向の傾き角度を検出する傾き角度検出部８４と、傾き角度検出部８４が検出した傾き角度情報を考慮した数値補正（傾き補正処理）を流速分布算出部７２が算出した流速分布に対して施す傾き補正演算処理部７７Ａとをさらに備える。

水底側流速分布取得手段６６Ａは、水底側流速分布取得手段６６と同様にして、超音波パルス発信部６９が流量測定対象となる水に超音波パルスの発信を行い、超音波エコー受信部７０が水中から受信した反射波に対応する超音波エコー信号を発信する。そして、信号処理部７１は、超音波エコー信号を受信して、受信した超音波エコー信号に対して信号処理を行い、流速分布算出部７２は、信号処理部７１が信号処理した超音波エコー信号から信号解析して流速分布を求めている。

流速分布算出部７２では、３軸方向の傾き角度の情報を取得しないので、いずれの軸に対しても傾きは０度として信号解析して流速分布を求めている。つまり、流速分布算出部７２が算出する流速分布は、傾きの影響を考慮せずに算出していることになる。従って、水底ユニット２７Ａがいずれかの軸に対して傾いていると、求めている速度成分は、求めたい速度成分に対して傾いてしまい、この傾きの影響により測定誤差が生じてしまうこととなる。

そこで、水底側流速分布取得手段６６Ａでは、傾き角度検出部８４が検出した水底ユニット２７Ａの３軸方向の傾き角度の情報を用いて、傾き補正演算処理部７７Ａが流速分布算出部７２により算出された流速分布を数値補正する傾き補正演算処理を行う。

第２の超音波流量計８０を用いて行う本発明の流量測定方法（以下、第２の流量測定方法とする）については、演算処理ユニット２９の演算処理手段４８が基本処理ＰＧ５６、流速分布取得ＰＧ５７Ａおよび流量測定ＰＧ５８を読み出して実行することで、演算処理ユニット２９が図１４に示す各手段として機能することでなされる。従って、図１４に示す各手段が水路２４を流動する水２１の流量の測定を行うこととなる。

ところで、図６および図１４を参照して、第２の超音波流量計８０が具備する手段と第１の超音波流量計２０が具備する手段とを比較すると、両者の相違点は、第１の超音波流量計２０が水底側流速分布取得手段６６を備える流速分布取得手段６１を具備するのに対し、第２の超音波流量計８０は、水底側流速分布取得手段６６Ａを備える流速分布取得手段６１Ａを具備する点である。

従って、第２の流量測定方法が具備する処理手順について相違する処理手順は、第１の超音波流量計２０と相違する手段、すなわち、流速分布取得手段６１Ａが実行する流速分布取得手順において相違し、その他の処理手順については本質的には異ならない。換言すると、第２の流量測定方法は、第１の流量測定方法と同様に、全体流速分布取得手順、流量算出手順および流量表示手順を具備し、このうち、全体流速分布取得手順の処理内容が相違する。

そこで、第２の流量測定方法についての全体的な処理手順について手順を追って説明する説明図（処理フロー図）は、第１の流量測定方法についての処理フロー図をもって説明に代えるものとして図を省略する。以下、処理内容が相違する全体流速分布取得手順について図を参照し順を追って説明する。

図１５に第２の流量測定方法における全体流速分布取得手順（以下、第２の全体流速分布取得手順とする）における処理行程を順を追って説明する説明図（処理フロー図）を示す。

尚、図１５に示す処理フロー図において第１の流量測定方法における全体流速分布取得手順（以下、第１の全体流速分布取得手順とする）と本質的に異ならない処理行程については、同じ番号を付して説明を省略する。

図１５によれば、第２の全体流速分布取得手順は、測定準備完了確認行程（ステップＳ１１）と、トリガ発生行程（ステップＳ１２）と、水面側流速分布取得行程（ステップＳ１３〜ステップＳ１６）と、水底ユニット２７Ａから伝送された超音波エコー信号に基づき流速分布を取得する第２の水底側流速分布取得ステップ（ステップＳ１３〜ステップＳ１６，ステップＳ２１）と、流速分布校正処理行程（ステップＳ１８）と、測定残存確認行程（ステップＳ１９）とを備える。

第１の全体流速分布取得手順と比較すれば、水底側流速分布取得行程の代わりに第２の水底側流速分布取得ステップを備える点で異なる。さらに詳細をみれば、水底側流速分布取得行程の傾き補正演算処理ステップ（ステップＳ１７）の代わりに、第２の水底側流速分布取得ステップの第２の傾き補正演算処理ステップ（ステップＳ２１）を備える点で異なる。

また、第２の全体流速分布取得手順の処理行程の実行順番に着目しても、第１の全体流速分布取得手順において、ステップＳ１７の傾き補正演算処理ステップが第２の傾き補正演算処理ステップに代わる点で相違し、その他の点については同様である。

ここで、傾き補正演算処理ステップと第２の傾き補正演算処理ステップとの処理内容の相違について説明する。傾き補正演算処理ステップと第２の傾き補正演算処理ステップとの処理内容の相違は、第１の全体流速分布取得手順が、複数（例えば２つ）の流速分布を用いて、水底ユニット２７の傾きの影響により生じる流速測定誤差をキャンセルする演算処理を行うのに対し、第２の全体流速分布取得手順は、水底ユニット２７Ａの傾きを直接的に検出し、検出した傾きにより生じた流速測定誤差を補正する補正演算処理を行う点で相違する。

より具体的には、第１の全体流速分布取得手順の傾き補正演算処理ステップが、水底側超音波トランスデューサ４５，４６を用いて取得される２つの流速分布を加重平均処理して傾きの影響をキャンセルするのに対し、第２の傾き補正演算処理ステップは、３次元角度検出装置８２が測定した傾きを直接的に検出し、検出した傾きの影響を考慮して取得された単一の流速分布を補正演算処理する点で相違する。

以上、第２の超音波流量計８０、第２の流量測定方法および第２の流量測定方法を実行するＰＧ（流速分布取得ＰＧ５７Ａおよび流量測定ＰＧ５８）によれば、第１の超音波流量計２０、第１の流量測定方法および第１の流量測定方法を実行するＰＧ（流速分布取得ＰＧ５７および流量測定ＰＧ５８）の場合と同様の効果が得られる。

従って、河川や大人工開水路においても、流量測定の測定精度を保持しつつ装置構成を従来の超音波流量計より簡便化した超音波流量計とその流量測定方法およびその流量測定ＰＧを提供することができる。

尚、本発明に係る超音波流量計は、演算処理ユニット２９において、水２１の流量ではなく流速分布を時系列的に表示するように構成することもできる。つまり、本発明に係る超音波流量計の流量表示手段６３を流速分布を時系列的に表示する流速分布手段として構成することもできる。

本発明に係る超音波流量計が、水２１の流量ではなく流速分布を時系列的に表示するように構成できるのは、流速分布を積分して当該断面を通過する水２１の流量を得る原理に基づくものであり、一旦、流速分布を測定しているためである。この場合、本発明に係る超音波流量計は、超音波流速分布計として機能することとなる。

また、演算処理ユニット２９において、水２１の流量のみならず、流速分布も時系列的に表示するように構成することも当然可能であり、この場合、本発明に係る超音波流量計は、流量計として機能することはもちろんのこと、流速分布計としても機能することができる流量計となる。

さらに、本発明に係る超音波流量計としての機能を実現するプログラム、すなわち、基本処理ＰＧ５６、流速分布取得ＰＧ５７および流量計測ＰＧ５８は、演算処理ユニット２９に格納されているが、演算処理手段４８が読み取り可能であれば、必ずしも記録手段５１に格納されている必要は無い。例えば、演算処理ユニット２９のＩ／Ｆ手段５４を介して電気的に接続された外部機器内に格納されていても構わない。

さらにまた、流量または流速分布の表示は、必ずしも演算処理ユニット２９の表示手段５３でなくても良く、他の表示手段を有する外部機器を演算処理ユニット２９のＩ／Ｆ手段５４と電気的に接続して表示させても差し支えない。また、演算処理ユニット２９の表示手段５３および他の表示手段を有する外部機器の両者に表示させても良い。

一方、水面ユニット２６および水底ユニット２７，２７Ａと演算処理ユニット２９とは、コネクターコード３１で電気的に接続されているが、必ずしもコネクターコード３１でなくても良い。無線で水面ユニット２６および水底ユニット２７，２７Ａと演算処理ユニット２９とを電気的に接続し、相互に信号の授受を可能に構成しても良い。

また、水面ユニット２６は、遠隔操作により移動するため、本来、人が乗ることを前提として構成されるものではないが、人が乗れるように構成としても良い。そして、水面ユニット２６に乗る人が水面ユニット２６を運転操作して水面ユニット２６や水底ユニット２７，２７Ａの位置決めを行うようにしても良い。

本発明の第１の実施形態に係る超音波流量計について適用場面の一例を説明する説明図。 本発明の第１の実施形態に係る超音波流量計の全体的な構成の概略を表した構成概略図。 本発明に係る超音波流量計の水面ユニットについて全体的な構成の概略を表した構成概略図。 本発明の第１の実施形態に係る超音波流量計の水底ユニットについて全体的な構成概略を表した構成概略図。 本発明に係る超音波流量計における演算処理ユニットの代表的な一例について構成概略を表した構成概略図。 本発明の第１の実施形態に係る超音波流量計の機能ブロック図。 本発明の第１の実施形態に係る超音波流量計の流速分布取得手段をより詳細に説明する機能ブロック図。 本発明の第１の実施形態に係る超音波流量計の水底ユニットにおける傾き補正演算処理部が行う加重平均処理の原理について説明する説明図。 本発明に係る第１の流量測定方法を行う際、流速分布の測定を行う場所について説明する説明図。 本発明に係る第１の流量測定方法について手順を追って説明する説明図。 本発明に係る第１の流量測定方法の全体流速分布取得手順における処理行程を順を追って説明する説明図。 本発明に係る超音波流量計の流速分布校正処理手段が流速分布校正処理行程を実行して取得した水面から水底までの水深方向の流速分布を説明する説明図。 本発明の第２の実施形態に係る超音波流量計の水底ユニットについて全体的な構成概略を表した構成概略図。 本発明の第２の実施形態に係る超音波流量計の機能ブロック図。 本発明に係る第２の流量測定方法における全体流速分布取得手順の処理行程を順を追って説明する説明図。 開水路に設置された従来の超音波流量測定装置の構成概略図であり、（ａ）は同図（ｂ）に示す仮想測定直線Ｂに対する垂直方向の断面図、（ｂ）は平面図（上空から開水路を見た場合における正面図）。

符号の説明

２０ 第１の超音波流量計
２１ 水（流体）
２２ 取水口
２３ 導水路（山手水路：流路）
２４ 河川側の水路（川手水路：流路）
２６ 水面ユニット
２７，２７Ａ 水底ユニット
２８ ガイドレール
２９ 演算処理ユニット
３０ ワイヤ（ユニット接続手段）
３０ａ 第１のワイヤ
３０ｂ 第２のワイヤ
３１ コネクターコード
３３ ベース部
３４ 動力部
３５ ブラケット部
３７ ガイド
３８ 水面側超音波トランスデューサ
３９ 第１のワイヤリール
４０ 第２のワイヤリール
４１ 本体部
４２ プレート
４３ ワイヤ取付部
４５，４６ 水底側超音波トランスデューサ
４７ コード導入穴
４８ 演算処理手段
５０ メモリ
５１ 記録手段
５２ 入力手段
５３ 表示手段
５４ Ｉ／Ｆ手段
５６ 基本処理ＰＧ
５７ 流速分布取得ＰＧ
５８ 流量測定ＰＧ
６０ トリガ発生手段
６１ 流速分布取得手段
６２ 流量算出手段
６３ 流量表示手段
６５ 水面側流速分布取得手段
６６ 水底側流速分布取得手段
６７ 流速分布校正処理手段
６９ 超音波パルス発信部
７０ 超音波エコー受信部
７１ 信号処理部
７２ 流速分布算出部
７５ 第１の水底側流速分布取得手段
７６ 第２の水底側流速分布取得手段
７７，７７Ａ 傾き補正演算処理部（傾き補正演算処理手段）
８０ 第２の超音波流量計
８２ ３次元角度検出装置
８４ 傾き角度検出部

Claims (17)

1. 測定開始の要求を受け付けてトリガを発生させるトリガ発生手段と、流量測定の基礎となる流速分布を取得する流速分布取得手段と、この流速分布取得手段が取得した流速分布に基づき流量を算出する流量算出手段と、この流量算出手段が算出した流量を流量測定値として表示する流量表示手段とを具備し、
   前記流速分布取得手段は、流体が流動する流路の表面側から流速分布を取得する水面側流速分布取得手段と、
   流体が流動する流路の底側から流速分布を取得する水底側流速分布取得手段と、
   前記水面側流速分布取得手段および水底側流速分布取得手段がそれぞれ取得した流速分布に基づき、流路の深さ方向の流速分布を得る流速分布校正処理手段とを備えることを特徴とする超音波流量計。
2. 前記水面側流速分布取得手段および水底側流速分布取得手段は、流量を測定する流体中に超音波パルスを発信する超音波発信手段と、前記流体中で受信した超音波エコーに対応した超音波エコー信号を出力する超音波受信手段と、前記超音波エコー信号を信号処理する信号処理手段と、この信号処理手段が信号処理した超音波エコー信号から前記流体の流速分布を算出する流速分布算出手段とを備え、
   前記水面側流速分布取得手段の超音波発信手段および超音波受信手段は、流体が流動する流路を跨ぎ流路幅方向に移動自在に設置された水面ユニットに設けられ、
   前記水底側流速分布取得手段の超音波発信手段および超音波受信手段は、前記流路の底に着面させる水底ユニットに設けられることを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
3. 前記水面ユニットは、前記水底ユニットとユニット接続手段で接続して構成し、前記水面ユニットは、前記ユニット接続手段の長さを可変させることで、前記水底ユニットを前記水面ユニットの位置から前記流体が流動する流路の底まで移動可能に構成したことを特徴とする請求項２記載の超音波流量計。
4. 前記水底ユニットは、船舶に近い形状をした本体部を有し、この本体部の中心線上、かつ、船尾部分に流体抵抗を受けるプレートが取り付けられていることを特徴とする請求項２記載の超音波流量計。
5. 前記水底側流速分布取得手段は、流量を測定する流体中に超音波パルスを発信する超音波発信手段と、前記流体中で受信した超音波エコーに対応した超音波エコー信号を出力する超音波受信手段と、前記超音波エコー信号を信号処理する信号処理手段と、この信号処理手段が信号処理した超音波エコー信号から前記流体の流速分布を算出する流速分布算出手段とを備え、
   前記水底側流速分布取得手段の超音波発信手段および超音波受信手段は、前記流路の底に着面させる水底ユニットに設けられ、同時刻における複数種類の超音波エコー信号を取得するべく複数かつ同数に構成されることを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
6. 前記水底側流速分布取得手段は、流体中の超音波受信手段が同時刻に取得した複数種類の超音波エコー信号を用いて、前記水底ユニットの傾きの影響を無効化する傾き補正演算処理を行って１つの流速分布を取得する傾き補正演算処理手段を備えることを特徴とする請求項５記載の超音波流量計。
7. 前記水底側流速分布取得手段は、流量を測定する流体中に超音波パルスを発信する超音波発信手段と、前記流体中で受信した超音波エコーに対応した超音波エコー信号を出力する超音波受信手段と、前記超音波エコー信号を信号処理する信号処理手段と、この信号処理手段が信号処理した超音波エコー信号から前記流体の流速分布を算出する流速分布算出手段と、前記超音波発信手段および超音波受信手段を設けて前記流路の底に着面させる水底ユニットの３軸方向の傾きを検出する傾き検出手段と、この傾き検出手段が検出した水底ユニットの傾きを考慮した傾き補正演算処理を前記流速分布算出手段が算出した流速分布に対して行う傾き補正演算処理手段とを備えることを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
8. 前記水面側流速分布取得手段は、前記流体の水深方向の流速分布を前記流体の流速が最大値となる水深を含めて取得し、
   前記水底側流速分布取得手段は、前記流体の水深方向の流速分布を前記流体により形成される境界層およびこの境界層と定常流領域との境界部分となる水深を含めて取得することを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
9. 前記流量表示手段は、前記流速分布取得手段が取得した流速分布を表示する流速分布表示手段としても機能し得るように構成されたことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
10. 流量測定の基礎となる流速分布を取得する全体流速分布取得手順と、全体流速分布取得手順で取得した流速分布に基づき流量を測定する流量算出手順と、算出された流量を流量測定値として表示する流量表示手順とを具備し、
    前記全体流速分布取得手順は、測定開始の要求を受け付けて、測定を開始して良いか否かを確認する測定準備完了確認行程と、
    流路の水深方向の流速分布を取得する水深方向流速分布取得行程と、
    他の場所で水深方向の流速分布を測定する必要性の有無について確認する測定残存確認行程とを備えることを特徴とする流量測定方法。
11. 前記全体流速分布取得手順は、前記水深方向流速分布取得行程を行う箇所を、流路の幅方向における側壁近傍領域と、速度境界領域と、流路中央領域とで行うことを特徴とする請求項１０記載の流量測定方法。
12. 前記水深方向流速分布取得行程は、トリガを発生させるトリガ発生行程と、
    水面ユニットに設置された超音波受信手段から出力された超音波エコー信号に基づき流体表面側の流速分布を取得する水面側流速分布取得行程と、
    水底ユニットに設置された超音波受信手段から出力された超音波エコー信号に基づき流路底側の流速分布を取得する水底側流速分布取得行程と、
    水面側流速分布取得行程および水底側流速分布取得行程で取得したそれぞれの流速分布に基づき、必要なデータ校正処理を施して流量算出用の流速分布を得る流速分布校正処理行程とを備えることを特徴とする請求項１０記載の流量測定方法。
13. 前記水底側流速分布取得行程は、複数の水底側流速分布取得手段が同時刻における水深方向の流速分布をそれぞれ取得する水底側流速分布取得ステップと、
    この水底側流速分布取得行程で取得された同時刻における水深方向の流速分布の各々を用いて水底ユニットの傾きの影響を無効化する加重平均処理を行う補正演算処理ステップとを備えることを特徴とする請求項１０記載の流量測定方法。
14. 前記水底側流速分布取得行程は、単一の水底側流速分布取得が同時刻における水深方向の流速分布をそれぞれ取得する水底側流速分布取得ステップと、
    この水底側流速分布取得行程で取得された水深方向の流速分布に対し、水底ユニットの傾きを直接的に検出し、検出した傾きにより生じた流速測定誤差を補正する補正演算処理ステップとを備えることを特徴とする請求項１０記載の流量測定方法。
15. 測定開始の要求を受け付けて、測定を開始して良いか否かを確認する測定準備完了確認行程と、
    トリガを発生させるトリガ発生行程と、水面ユニットに設置された超音波受信手段から出力された超音波エコー信号に基づき流体表面側の流速分布を取得する水面側流速分布取得行程と、水底ユニットに設置された超音波受信手段から出力された超音波エコー信号に基づき流路底側の流速分布を取得する水底側流速分布取得行程と、水面側流速分布取得行程および水底側流速分布取得行程で取得したそれぞれの流速分布に基づき、必要なデータ校正処理を施して流量算出用の流速分布を得る流速分布校正処理行程とを備え、流路の水深方向の流速分布を取得する水深方向流速分布取得行程と、
    他の場所で水深方向の流速分布を測定する必要性の有無について確認する測定残存確認行程とを備えており、流量測定の基礎となる流速分布を取得する全体流速分布取得手順をコンピュータに実行させるプログラム。
16. 前記水底側流速分布取得行程として、
    複数の水底側流速分布取得手段が同時刻における水深方向の流速分布をそれぞれ取得する水底側流速分布取得ステップと、
    この水底側流速分布取得行程で取得された同時刻における水深方向の流速分布の各々を用いて水底ユニットの傾きの影響を無効化する加重平均処理を行う補正演算処理ステップとをコンピュータに実行させる請求項１５記載のプログラム。
17. 前記水底側流速分布取得行程として、
    単一の水底側流速分布取得が同時刻における水深方向の流速分布をそれぞれ取得する水底側流速分布取得ステップと、
    この水底側流速分布取得行程で取得された水深方向の流速分布に対し、水底ユニットの傾きを直接的に検出し、検出した傾きにより生じた流速測定誤差を補正する補正演算処理ステップとをコンピュータに実行させる請求項１５記載のプログラム。

Images