専攻科特別実験資料 - 国立舞鶴工業高等専門学校

建設・生産システム工学専攻科特別実験
計測器からの信号取得手法とデータ処理手法
平成２７年度
舞鶴工業高等専門学校専攻科
総合システム工学専攻
三輪
建設工学コース
浩
１．はじめに
本実験は，計測器からの信号取得とデータの処理および結果の整理について，水理実験を通し
てこれらの手法を習得することを目的としている．実験は等流の流れ場を対象として，プロペラ
流速計を用いて流速の測定を行い，得られたアナログ信号をデータレコーダに取り込んでディジ
タル信号に変換する．さらに，このデータをもとに解析プログラムによって目的の変量を計算し，
得られた結果を整理する．
２．実験の概要
開水路における流速をプロペラ流速計によって測定し，測定結果を統計処理して流速時系列，
平均流速および流速変動成分の頻度分布を求める．流速検出部（プロペラ）によって取得された
信号はアンプを通してアナログ信号（電圧）でデータレコーダに送られる．この信号はデータレ
コーダでディジタル信号に A/D 変換されて，電圧値としてコンパクトフラッシュメモリに記録さ
れる．
３．実験装置
実験に用いる水路は，建設システム工学科棟１階の水工学実験室に設置されたアクリル製の矩
形断面を有する小型可変勾配水路であり，全長 1m，水路幅 0.07ｍ，深さ 0.2m を有する．なお，
水路勾配は 1/100 に設定されている．
また，水路の底面は一辺 5mm の四角形桟粗度となっている．
流量は流量計で測定された値を読み取る．
流速測定には直径 3mm の超小型プロペラ流速計（中村製作所製）を使用する．なお，流速計の
測定範囲は±2.5～±100cm/sec，測定精度は 1cm/sec である．流速計で得られた信号はアンプに送
られ，表示部で指示されるとともに，測定範囲に対して-5V～5V のアナログ信号が出力される．
流速計（アンプ）の出力信号（アナログ）はデータレコーダ（TEYENCE 製）に送られ，A/D
変換されてディジタルデータとしてコンパクトフラッシュメモリに記録される．なお，データレ
コーダのサンプリング周波数は 100Hz，測定時間は 20 秒に設定されている．
４．実験方法
実験の手順は以下のとおりである．
(1) 流量の測定：
流量は制御装置に表示された値を読み取る．
(2) 水深の測定：
ポイントゲージを用いて水深を測定する．測定位置は水路下流端から 0.5m の位置とし，水路横
断方向中央位置の水深を測定する．
(3) 流速の測定：
ポイントゲージに取り付けられたプロペラ流速計によって流速測定を行う．測定位置は(2)の水
深測定位置と同じとし，底面から水面に向かって，次の６箇所における流速を測定する．
0.06h，0.1h，0.2h，0.4h，0.6h，0.9h；h は上記(2)で測定された水深
測定にあたっては，まず，所定の位置にプロペラの中央をセットする．つぎに，データレコー
ダの 20 秒間の流速を 100Hz のサンプリング周波数で記録する．
５．実験上の注意
プロペラ部はわずかの衝撃によっても破損するので，取り扱いには細心の注意を払うこと．
６．データ処理
コンパクトフラッシュメモリには１つの測定に対して１つのファイルが保存されている．たと
えば，
20140428_101.csv
である。表計算ソフト（MS-Excel など）を用いて，上記のテキストファイルを読み込む．このフ
ァイルを Excel で読み込む．
図-1 表計算ソフト（Excel）への読み込み
第１列目は測定時刻，第２列目は流速の電圧値である．第２列目のデータを実際の流速データ
に換算するには以下のようにする．すなわち，2.5～100cm/sec の流速に対して，0～5V を出力す
る．いま，簡単のために測定範囲を 0～100cm/sec とすると，流速（u）と電圧の関係は
u
となる．
100
V
5
(1)
７．測定結果の整理
上記の方法で処理された流速データをもとに統計処理を行うとともに以下の検討を行う．
１）平均流速の算出と流速分布図の作成
測点位置の平均流速（average velocity），標準偏差（standard deviation）を算出するとともに,流
速と測定位置（水路底面からの距離）の関係を片対数紙上にプロットする．
semi
方対数グラフ用紙を用
u (cm/sec)
いること
横軸１幅に対する縦幅の読みが 5.75u* に等し
5.75u *
い．例えば，縦幅の読みが 12.3(cm/s)とすると，
u*=12.3/5.75=2.14(cm/s)となる．
1
対数目盛り上での１である．
log
y (cm)
したがって，10 倍の目盛り幅
を取る．例えば，log8-log0.8=1
だから，y=8cm と 0.8cm の区
間を取ると良い．
図-2 平均流速分布（図中，u*は摩擦速度）
２）流速変動時系列図の作成
各測定流速から平均流速を差し引いた流速（流速変動成分）の時間変化を図化する．図-3 に例
を示す．なお，横軸が時間であることに注意すること．データ 100 個で 1 秒である．
図-3 流速変動時系列
３）変動流速成分の頻度分布図の作成
変動流速成分のヒストグラム（頻度分布図）を作成し，正規分布式を重ね合わせて，その適合
性を調べる．図-4 に測定された流速の例を示す．
Frequency
0.1
x / L = 1.0
–
ub = 42.8
ub = 4.574
cs = 0.060
ck = 2.719
0.05
0
–20
–10
0
u'b
10
20
(cm/sec)
図-4 流速変動成分のヒストグラム
図中，ub は平均流速， ub は標準偏差である．また，Cs，Ck はそれぞれ分布のひずみ度（skewness
coefficient）ととがり度（kurtosis coefficient）であり，次のように表される．
Cs 
Ck 

E u  u 
3

(4)

(5)
 u3

E u  u 4
 u4
ここに，E{X}は X の平均を意味する．正規分布の場合は Cs=0，Ck=3 となるので，測定結果がど
うであったか検討せよ．
８．実験報告書について
報告書はワードプロセッサによるものとする．なお，提出期限は別途通知する．

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