TECHNICAL GUIDE
技術ガイド
当社の計測機器の「測定原理」を、図解とともにわかりやすく解説します。
購買ご担当者から技術者の方まで、原理をご理解いただくことで、用途に最適な機種選定にお役立ていただけます。
気象機器の測定原理
大気中を伝わる超音波の伝播時間から、風速の各成分・気温・雪面までの距離を求めます。
可動部を持たないため摩耗がなく、微風から強風まで、また無人地点でも連続して観測できます。
三次元超音波風向風速温度計
成分風速演算
風向風速演算
温度演算
超音波積雪深計
空中超音波パルス反射方式
$$L = \frac{CT}{2}$$
(1)
$$\begin{aligned} L_1 &= L_0 - L \\ &= L_0 - \frac{CT}{2} \end{aligned}$$
(2)
$$\begin{aligned} &L : \text{センサーから雪面までの距離( m )} \\ &C : \text{音速( m/s )} \\ &T : \text{超音波パルスの伝搬時間( sec )} \\ &L_1 : \text{積雪深} \\ &L_0 : \text{センサーから基準面までの距離} \end{aligned}$$
海象機器の測定原理
センサーと海面との間で超音波を往復させ、その伝播時間から水位の変動を連続的に捉えます。
あわせて超音波のドップラー効果を用いることで、海面下の各層の流れの向きと速さを遠隔から測定できます。
超音波波高計
海面までの距離の算出
$$l = \frac{1}{2} \cdot ct$$
$$\begin{aligned} &l : \text{センサーから海面までの距離} \\ &c : \text{音波の伝播速度} \\ &t : \text{超音波パルスの往復伝播時間} \\ \end{aligned}$$
水位変動から代表波の算定へ
海底設置型
空中型
海象計
センサーの構成
海象計は、従来の海底設置型超音波波高計の機能と多層ドップラー流速計の機能を併せ持った複合型の海象観測機器であり、センサー上部に水位変動測定用振動子（200kHz）およびその周りに鉛直軸から 30 度傾いた 3 方向の水粒子速度測定用振動子（500kHz）の計 4 つの超音波振動子が配置されています。両者の周波数が異なる理由は、測定ターゲットが前者は海面であるのに対し、後者は海中の微粒子や音波の屈折変動層であるため、各々に適した周波数が選定されていることによります。
水位変動の測定
流速（水粒子速度）の測定
統計計算と出力
水産機器の測定原理
水中へ発射した超音波が魚群や海底で反射して戻るまでの時間から距離を、反射の強さから対象の大きさや密度を推定します。
単体魚の反射強度（TS）と魚群の後方体積散乱強度（SV）を使い分けることで、魚体長の推定から分布密度の把握までを行います。
水中音響の原理
固体角の送信、反射、受信
$$E_n^2 = P_0^2 \cdot M^2 \cdot G_t \cdot \frac{1}{r^2} \cdot \exp(-4\beta r) \cdot D(\theta, \phi)^2 \cdot T_s$$
$$\begin{aligned} &E_n : \text{受信電圧振幅} \\ &P_0 : \text{送波音圧の振幅} \\ &M : \text{受波感度} \\ &G_t : \text{プリアンプ利得} \\ &D : \text{送受波器の指向特性関数} \\ &r : \text{送音元の距離} \\ &T_s : \text{魚のターゲットストレングス} \\ &\beta : \text{吸収減衰係数(neper/m)} \end{aligned}$$
円錐角の送信、反射、受信
$$E_n^2 = P_0^2 \cdot M^2 \cdot G_t \cdot \frac{1}{r^2} \cdot \exp(-4\beta r) + \frac{cT}{2} \cdot r \cdot Sv$$
$$\begin{aligned} &E_n : \text{受信電圧振幅} \\ &P_0 : \text{送波音圧の振幅} \\ &M : \text{受波感度} \\ &G_t : \text{プリアンプ利得} \\ &\psi : \text{等価指向角} \\ &r : \text{距離(約1500m/sec)} \\ &c : \text{音速(約1500m/sec)} \\ &t : \text{等価パルス幅} \\ &n : \text{密度(尾/m}^3\text{)} \end{aligned}$$
単体魚の送信、反射、受信
$$\text{TS} = \text{TS}_{\text{cm}} + 20 \log L \quad [\text{dB}]$$
$$\begin{aligned} &\text{TS}_{\text{cm}} : \text{基準化TS}[\text{dB}] \\ &L : \text{魚体長}[\text{cm}] \\ &\text{SV} : \text{後方体積散乱強度} \\ &\quad\ \ \text{魚群の単位体積あたりの散乱強度} \end{aligned}$$
周波数の使い分け
工業機器の測定原理
超音波液体流量計
流速の測定原理
$$t_1 = \frac{L}{C + V\sin\theta} + \tau$$
$$t_2 = \frac{L}{C - V\sin\theta} + \tau$$
$$V = \frac{C^2}{2L\sin\theta} \cdot \Delta t$$
$$\begin{aligned} V &= \text{流速} \\ T_1, T_2 &= \text{センサー(検出器)} \\ L &= \text{検出器間距離} \\ \theta &= \text{音波の入射角} \\ C &= \text{流体音速} \\ \tau &= \text{管壁等による遅れ時間} \end{aligned}$$
流速〜流量の換算
$$\overline{V} = V \times (1 / k)$$
$$k = 1 + 0.01 \sqrt{6.25 + 431 \text{Re}^{-0.237}}$$
$$Q = 3600 \times \overline{V} \times S \quad (\text{m}^3/\text{h})$$
$$\begin{aligned} \text{但し、}\overline{V} &= \text{断面平均流速( m/s )} \\ V &= \text{液体流量計で測定された線平均流速( m/s )} \\ \text{Re} &= \text{レイノルズ数} \\ k &= \text{流速補正係数} \\ S &= \text{断面積} \end{aligned}$$
超音波気体流量計
流速の測定原理
$$t_1 = \frac{L}{C + V\cos\theta}$$
$$t_2 = \frac{L}{C - V\cos\theta}$$
$$V = \frac{L}{2\cos\theta} \left( \frac{1}{t_1} - \frac{1}{t_2} \right)$$
$$\begin{aligned} \text{但し、}V &= \text{流速（m／s）} \\ \theta &= \text{超音波伝搬軸と管の中心軸がなす角度} \\ L &= \text{検出器間の距離（m）} \\ C &= \text{静止気体中の超音波の伝搬速度（m／s）} \end{aligned}$$
流量の換算
$$\overline{V} = V \times (1 / k)$$
$$k = 1 + 0.01 \sqrt{6.25 + 431 \times \text{Re}^{-0.237}}$$
$$Q = 3600 \times \overline{V} \times S \quad (\text{m}^3/\text{h})$$
$$\begin{aligned} \text{但し、}\overline{V} &= \text{断面平均流速（m／s）} \\ V &= \text{気体流量計で測定された線平均流速（m／s）} \\ \text{Re} &= \text{レイノルズ数} \\ k &= \text{流速補正係数} \end{aligned}$$
ノルマル流量補正
$$Q_N = 3600 \times \overline{V} \times S \times \frac{T_0 \times P}{T \times P_0}$$
$$\begin{aligned} \text{但し、}Q_N &= \text{流量（m}^3\text{／h ntp）}^{※} \\ S &= \text{管の断面積（m}^2\text{）} \\ T_0 &= \text{標準状態の流体温度（K）} \\ T &= \text{使用状態の気体温度（K）} \\ P_0 &= \text{標準状態の流体圧力（Pa・abs）} \\ P &= \text{使用状態の流体圧力（Pa・abs）} \end{aligned}$$ $$\text{※ ntp:基準状態（0℃、1気圧）}$$
超音波微少液体流量計
流速の測定原理
$$t_1 = \frac{L}{C + V}$$
$$t_2 = \frac{L}{C - V}$$
$$\overline{V} = \frac{L}{2} \cdot \frac{\Delta t}{t_1 \cdot t_2}$$
$$\begin{aligned} V &= \text{流速(m/s)} \\ T_1、T_2 &= \text{センサー(検出器)} \\ L &= \text{検出器間距離(m)} \\ C &= \text{流体音速(m/s)} \\ t_1、t_2 &= \text{伝搬時間(s)} \end{aligned}$$
流速〜流量の換算
$$Q = 60 \times \overline{V} \times S \quad (\text{L} / \text{min})$$
$$\begin{aligned} \overline{V} &: \text{平均流速} \\ S &: \text{断面積} \end{aligned}$$
超音波界面レベル計
演算式
$$T \times c = 2 \times L$$
$$L = c \times \frac{T}{2}$$
$$\begin{aligned} c &: \text{音速（m/sec）} \\ L &: \text{センサーから汚泥界面までの距離（m）} \\ T &: \text{超音波の伝搬時間（sec）} \end{aligned}$$
音響インピーダンスの境界での反射
処理槽での界面レベル計測
適用条件・注意点
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