| 【発明の名称】 |
水位差測定器及び水位差監視システム |
| 【発明者】 |
【氏名】川村 武司
【氏名】藤枝 敬史
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| 【要約】 |
【課題】２つの地点の水位差の比較を簡単かつシステム構築面で有利に行うことを可能ならしめる光ファイバを利用した新規な水位差測定器を提供する。
【解決手段】水位差を生じる部分から第１、第２導水室１、２に水を導入する。その２つの導水室１、２に水圧で上方に縮むベローズ３を設け、そのベローズに連結したロッド６経由でベローズの端壁３ａの変位を天秤５に伝えて水位差発生時に天秤５が傾くようにする。そして、その傾きで２つのセンサ７の作動状態を切換える。センサ７は、加圧子７ａで光ファイバを加圧変形させて光伝送損失を生じさせるものを利用しており、そのセンサの動作状況を光伝送損失分布測定装置で調べると水位差が発生したことが判る。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 内水の圧力と大気圧を両面に対向して受ける第１可動受圧部と、外水の圧力と大気圧を両面に対向して受ける第２可動受圧部と、第１可動受圧部の変位力を受ける加圧子で光ファイバを加圧してその光ファイバに光の伝送損失を生じさせる第１センサと、第２可動受圧部の変位力を受ける加圧子で光ファイバを加圧してその光ファイバに光の伝送損失を生じさせる第２センサを有し、内水と外水に水位差が生じたときに第１、第２可動受圧部の変位量に差が出て第１、第２センサの光伝送損失に差が生じるようにした水位差測定器。
【請求項２】 内水を導入して第１可動受圧部の一面に作用させる第１導水室、外水を導入して第２可動受圧部の一面に作用させる第２導水室、及び第１、第２導水室間に設ける天秤を具備させ、内水と外水に水位差が生じたときに第１可動受圧部と第２可動受圧部から天秤に相反する向きに加わる力のバランスが崩れて天秤が傾き、第１、第２のどちらか一方のセンサの加圧子が傾いた天秤に押し込まれ、他方のセンサの押し込みが解除されるようにした請求項１記載の水位差測定器。
【請求項３】 内水導入部と外水導入部に各々設ける液体を充填した可撓性の第１タンクと第２タンク、第１タンク内の液を導入して第１可動受圧部の一面に作用させる第１導液室、第２タンク内の液を導入して第２可動受圧部の一面に作用させる第２導液室、及び第１、第２導液室間に設ける天秤を具備させ、内水と外水に水位差が生じたときに第１、第２タンク内の液を介して第１、第２可動受圧部にそれぞれ内水、外水の圧力が伝わり、第１可動受圧部と第２可動受圧部から天秤に相反する向きに加わる力のバランスが崩れて天秤が傾き、第１、第２のどちらか一方のセンサの加圧子が傾いた天秤に押し込まれ、他方のセンサの押し込みが解除されるようにした請求項１記載の水位差測定器。
【請求項４】 請求項１乃至３のいずれかに記載の水位差測定器の可動受圧部に代えてフロートを用いた水位差測定器。
【請求項５】 天秤の均り合い状態を表示する指針を設けた請求項２乃至４のいずれかに記載の水位差測定器。
【請求項６】 前記天秤とセンサ間に、天秤の変位を増幅してセンサの加圧子に伝える増幅機構を設けた請求項２乃至５のいずれかに記載の水位差測定器。
【請求項７】 請求項１乃至６のいずれかに記載の水位差測定器を複数の水位差監視点に各々設置し、その測定器のセンサの光ファイバを各監視点に通して布設される光ファイバケーブルにシリアルに接続し、センサの光ファイバに生じる光伝送損失の有無と伝送損失の発生位置を前記光ファイバケーブルに接続した光伝送損失分布測定装置で計測して各監視点における内水と外水の水位差を把握するようにした水位差監視システム。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、光ファイバと天秤を用いて隔離された水系の水位差を検出する水位差測定器とそれを利用して多点の水位差監視を経済的に行えるようにした水位差監視システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】水門、樋門などは、水の有効利用と増水時の適切な放水のために内水と外水（ここでは上流側の水を内水、下流側の水を外水と云う）の水位差（水圧差）を検出し、検出結果に基づいて開け閉めを行うのが好ましい。
【０００３】その水位差の検出に用いられる従来の測定器は、内水と外水の圧力を２つの水圧計で計測し、両水圧計の電気的な出力を比較してどちらの水位が高いかを判断するものが一般的である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来の測定器は、高価な水圧計を２つ必要とし、各水圧計の出力信号を比較する装置も必要であり、費用がかさむ。
【０００５】また、電気的な水圧計はそれ自体が精度誤差を有しており、２つの計器の器差が検出精度を左右するため、微妙な水位差を測定するには限界があった。
【０００６】さらに、電気式の計器を用いるため、測定器を設置する場所（現地）に電源を必要とし、さらに、遠隔監視を行う場合には検出信号を監視所に送るための伝送装置を必要とし、システムが高価となるほか、電源の有無による設置規制も受け易かった。
【０００７】この発明は、かかる不具合を解消した水位差測定器とそれを用いた水位差の遠隔監視システムを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するため、この発明においては、内水の圧力と大気圧を両面に対向して受ける第１可動受圧部と、外水の圧力と大気圧を両面に対向して受ける第２可動受圧部と、第１可動受圧部の変位力を受ける加圧子で光ファイバを加圧してその光ファイバに光の伝送損失を生じさせる第１センサと、第２可動受圧部の変位力を受ける加圧子で光ファイバを加圧してその光ファイバに光の伝送損失を生じさせる第２センサを有し、内水と外水に水位差が生じたときに第１、第２可動受圧部の変位量に差が出て第１、第２センサの光伝送損失に差が生じるようにした水位差測定器を提供する。
【０００９】この測定器は、内水を導入して第１可動受圧部の一面に作用させる第１導水室、外水を導入して第２可動受圧部の一面に作用させる第２導水室、及び第１、第２導水室間に設ける天秤を具備させ、内水と外水に水位差が生じたときに第１可動受圧部と第２可動受圧部から天秤に相反する向きに加わる力のバランスが崩れて天秤が傾き、第１、第２のどちらか一方のセンサの加圧子が傾いた天秤に押し込まれ、他方のセンサの押し込みが解除されるようにしておくと好ましい。
【００１０】また、内水導入部と外水導入部に各々設ける液体を充填した可撓性の第１タンクと第２タンク、第１タンク内の液を導入して第１可動受圧部の一面に作用させる第１導液室、第２タンク内の液を導入して第２可動受圧部の一面に作用させる第２導液室、及び第１、第２導液室間に設ける天秤を具備させ、内水と外水に水位差が生じたときに第１、第２タンク内の液を介して第１、第２可動受圧部にそれぞれ内水、外水の圧力が伝わり、第１可動受圧部と第２可動受圧部から天秤に相反する向きに加わる力のバランスが崩れて天秤が傾き、第１、第２のどちらか一方のセンサの加圧子が傾いた天秤に押し込まれ、他方のセンサの押し込みが解除されるようにしておくとより好ましい。これ等は、前述の可動受圧部をフロートで代替した構成にしてもよい。
【００１１】また、必要に応じて天秤の均り合い状態を表示する指針を設けたり、天秤とセンサ間に、天秤の変位を増幅してセンサの加圧子に伝える増幅機構を設けたりするとより好ましいものになる。
【００１２】なお、この発明の監視システムは、上述した水位差測定器を複数の水位差監視点に各々設置し、その測定器のセンサの光ファイバを各監視点に通して布設される光ファイバケーブルにシリアルに接続し、センサの光ファイバに生じる光伝送損失の有無と伝送損失の発生位置を前記光ファイバケーブルに接続した光伝送損失分布測定装置で計測する。そして、その測定結果に基づいて各監視点における内水と外水の水位差を把握する。
【００１３】
【作用】この発明の測定器及び監視システムは、内水と外水の圧力差又は内、外水によるフロートの浮力差を光ファイバの光伝送損失に置換し、２つのセンサのどちらに伝送損失が生じたかで内、外水のどちらの水位が高いかを判断する。従って、高価な計器が要らず、また、現地に電源を必要とせず、経済的にしかも設置規制を受けずに水位差を監視することができる。
【００１４】また、可動受圧部やフロートの変位を天秤に伝え、天秤のバランスの崩れを利用して２つのセンサの切換えを行うものは、測定器を簡素化でき、コスト面で更に有利になる。
【００１５】さらに、第１タンクと第２タンクを設け、そのタンク内の液を第１、第２可動受圧部の一面に作用させるものは、内水と外水の圧力がタンク内の液を介して間接的に可動受圧部に伝達されるので、測定器の内部に内水と外水を導入する必要がない。従って、内水や外水に含まれるゴミ等の浮遊物や土などによる目詰り、それによる測定器の動作停止の問題が起こらず、ゴミ等の異物の侵入に対する対策やメンテナンスが容易になる。また、第１、第２タンクを測定器の本体部から独立させ、第１、第２タンク内の液を耐圧ホースに通して第１、第２導液室に導くことができるので、本体部の設置場所の制約が少なく、本体部の小型化も図り易い。
【００１６】このほか、天秤の指針は、水門等の開閉を操作員が行うときに、内外水の水位差の確認を容易化するのに役立つ。
【００１７】また、変位の増幅機構は、測定器の測定精度を高めるのに役立つ。微小水位差による僅かな変位ではセンサの光ファイバに明瞭な伝送損失を生じさせることが難しく、判定がし難くなるが、増幅機構を備えさせれば、微小変位を増幅してセンサからはっきりした信号を取り出すことができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】図１に、この発明の水位差測定器の実施形態を示す。この測定器は、内水を導入する第１導水室１と、外水を導入する第２導水室２と、各導水室の内部に臨ませるベローズ３と、定位置に固定される台座４の下部に取付けた天秤５と、天秤５の両端に垂下して設けるロッド６と、天秤５で作動させる２つのセンサ７とから成る。第１、第２導水室１、２は管材を用いると簡単に形成できる。
【００１９】これ等の導水室１、２には、空気抜き孔８と、その孔の出口に取付ける空気抜きの可能なゴミ除け用のカバー９が設けられている。
【００２０】また、ベローズ３は、上端の開口と導水室にあけた孔との間を機密にシールして各導水室１、２に取付けられている。このベローズ３は、下端に可動受圧部となる端壁３ａを有し、ロッド６の下端を連結したその端壁３ａが両面に導水室内の水圧と大気圧を対向して受け、水圧に押されてベローズが上方に縮む。このため、ロッド６が押し上げられて天秤５が傾く。その傾きは、今、内水の圧力（水位）が外水の圧力（水位）よりも高かったとすると、第１導水室１側のロッド６の押し上げ力が第２導水室２側のロッドの押し上げ力よりも大きくなるので、図１において天秤５の右側が持ち上がるように起こり、これにより、図中右側のセンサ７の加圧子７ａが押し込まれ、図中左側のセンサ７は加圧子７ａの押込みが解除される。
【００２１】センサ７は、図２（ａ）に示すように、ハウジング７ｂ内に光ファイバ７ｃを引き通し、その光ファイバ７ｃを図２（ｂ）に示すように加圧子７ａで加圧変形させる構造にしてある。このセンサ７の加圧子７ａは、図３に示すように、多点で光ファイバ７ｃを加圧変形させるものが好ましい。多点で加圧変形させると光ファイバに与える曲げ歪（マイクロベンド）を小さく抑えてより大きな光伝送損失を生じさせ得る。天秤５に押し込まれたセンサ７には光の伝送損失が生じ、もう一方のセンサ７にはその伝送損失が発生しない。従って、２つのセンサ７のどちらが作動したか（光の伝送損失が生じたか）を確認することによって内水と外水のどちらの水位が高いかを知ることができる。
【００２２】なお、センサの作動状態の確認は、光伝送損失分布測定装置（ＯＴＤＲ）を用いて行う。
【００２３】図２は、ベローズに代えてフロート１０を設けた水位差測定器を示している。この測定器は、導水室１、２の上端に被せた空気抜きの可能なキャップ１１にロッド６を貫通させ、そのロッドにフロート１０を取付ければよいので、図１の測定器に比べて構造の簡素化が図り易い。
【００２４】ベローズ３を用いた図１の測定器は、ロッド６が導水室の外側にあり、ゴミ等の侵入防止効果が高くて動作の信頼性に優れるが、微小荷重に対する動作性の面ではフロートの方が有利となる場合がある。
【００２５】なお、導水室１、２内のベローズ又はフロートの高さ位置に予め差をつけ、内水と外水との間に一定の水位差が生じているときに天秤５のバランスが保たれるようにしておくと、一定の水位差が保たれているかどうかを検出することができる。
【００２６】図５は、天秤５の釣り合い状態を表示する指針１２を設けた例を示している。この指針１２があると、現地で水門、樋門等の開閉を行うときに、水位状況を操作員が的確に知ることができる。
【００２７】図５の１３は、天秤５の傾きを規制するストッパである。このストッパ１３があると、センサ７に過大圧力が加わるのを防止することができる。
【００２８】図６は、天秤５とセンサ７間に変位増幅用のてこ１４を設けた例を示している。ロッド６を台座４の上方まで延長してそのロッド６の途中に天秤５の両端をピボット結合し、片方のロッド６で一方のてこ１４の一端を突き動かしててこ１４の他端でセンサ７を作動させるようにしている。この構造は、ロッド６の変位量がてこ比（Ｌ2 ／Ｌ1 ）と同じ比率で増幅されてセンサ７に伝わるので、水位差によるロッド６の変位量が非常に小さいときにもセンサ７から明瞭な信号を取出すことができ、検出の感度が高まる。
【００２９】図７は、この発明の水位差監視システムの概要を示している。図のように、水位差の監視が必要な箇所にこの発明の水位差測定器１５を設置する。また、各監視点を通る光ファイバケーブル１６を布設し、その光ファイバケーブルに各測定器１５の２つのセンサの光ファイバをシリアルに接続する。また、光ファイバケーブル１６を遠隔の監視所や中継所に引込み、その光ファイバケーブル１６に光伝送損失分布測定装置（ＯＴＤＲ）１７と、データ処理、表示装置１８を接続する。そして、光伝送損失分布測定装置１７で、光ファイバの伝送損失の発生状況と伝送損失の発生位置を調べる。これにより、多数の監視点の水位状況を的確に把握することが可能になる。
【００３０】図８及び図９は、内水と外水の圧力を第１、第２可動受圧部に間接的に伝えるタイプの水位差測定器の実施形態を示している。
【００３１】図１、図４の測定器は、河川水や雨水などを圧力比較を行う本体部の中に直接導入することになるので導入水中のゴミや泥などによって導水室の入口が詰まって測定器の動作に支障を来たす虞れがあり、メンテナンスの手間が増える。図８、図９の測定器は、その問題の有効な解決策となり得るものである。
【００３２】図８の水位差測定器は、不織布等で補強された収縮自在のゴムタンク１９、２０と、本体部２１を有している。一方のゴムタンク１９は内水導入部に、他方のゴムタンク２０は外水導入部に各々設置される。これ等のタンクには、水等の液体が収納されている。
【００３３】本体部２１は、隔壁２２によって液密に区画された第１導液室２３及び第２導液室２４と、両面に第１導液室２３内の液圧と大気圧を対向して受ける第１受圧板２５と、同じく両面に第２導液室２４内の液圧と大気圧を対向して受ける第２受圧板２６と、天秤５と、第１、第２受圧板２５、２６の変位力を天秤５の両端に伝えるロッド６と、天秤５で作動させる２つのセンサ７を設けて成る。
【００３４】第１導液室２３、第２導液室２４と、天秤５及びセンサ７を収納した大気室との間は、それぞれ、第１、第２受圧板２５、２６と隔壁２８、２９によって気密に仕切られている。
【００３５】第１、第２受圧板２５、２６は、外周をゴム引き布等で形成されたシール膜３０で支えており、各受圧板の両面に作用する圧力のバランスが崩れたときにシール膜３０が変形して第１、第２受圧板２５、２６の変位が起こる。この構造は、受圧板として耐久性に優れる剛体板（金属プレート等）を採用できるが、第１、第２受圧板２５、２６は周知のダイヤフラムで代替してもよく、その場合にはシール膜３０は不要である。
【００３６】ゴムタンク１９と第１導液室２３、ゴムタンク２０と第２導液室２４は、それぞれ耐圧ホース３１で結ばれている。このように、ゴムタンク内の液体を耐圧ホースに通して第１、第２導液室２３、２４に導くと、本体部を内外水の導入部から離れた位置に設置でき、本体部のコンパクト化も図れる。
【００３７】図８の３２は、必要に応じて設ける導入液のあふれ防止用のホースである。
【００３８】例示の測定器は、内、外水の水位レベルが設定値を越えたときに、内、外水の圧力を受けたゴムタンク１９、２０から収納液が第１、第２導液室２３、２４に流入する。
【００３９】内水と外水の水位レベルが設定値を越え、かつ、その内水と外水間に水位差が生じると、第１、第２導液室２３、２４に導入された液体の液面レベルに差が生じ、第１、第２受圧板２５、２６に加わる力のバランスが崩れて天秤５が傾き、一方のセンサ７がＯＮ、他方のセンサ７がＯＦＦ状態になって２つのセンサ７の光伝送損失に差が生じる。その差が発生したことをＯＴＤＲで確認すれば、内水と外水に水位差が生じたことが判る。
【００４０】図９は、図８の測定器の変形例である。これは、天秤５と第１、第２受圧板２５、２６を縦向きに配置し、天秤５の下端にロッド６を介して第１、第２受圧板２５、２６の変位力が対向して加わるようにした点と、２つのセンサ７を天秤５の上端を間にして対向配置した点が図８の測定器と異なるが、作用・効果には殆ど差が無い。但し、図９の構造は天秤５自体に変位の増幅機能をもたせることが可能であり、この点で図８の測定器よりも有利である。
【００４１】図１０は、指針１２を天秤５から独立させた例を示している。天秤５とは別箇所に指針１２を有する揺動杆３３を設け、天秤５の両側の変位を２本の変位伝達ワイヤ３４で伝えて揺動杆３３を天秤５に連動させるようにしている。変位伝達ワイヤ３４は自転車のブレーキワイヤなどを利用できる。この図１０の構造を採用すると指針１２を目視確認し易い位置に設けることができる。
【００４２】なお、図８以降の測定器を利用する水位差監視システムも構築状況は図７とほぼ同じになるので、これについての再説明は省く。
【００４３】
【発明の効果】以上述べたように、この発明の水位差測定器は、水位差を生じる内水と外水の圧力差又は内外水によるフロートの浮力差で２つのセンサの光ファイバに光伝送損失の差を生じさせ、どちらのセンサの光伝送損失が大きいかで内水と外水の水位状況を把握するので、高価な計器を使わずに経済的に、しかも現地電源の有無による設置規制を受けずに監視システムを構築して的確な水位監視を行うことができる。
【００４４】また、測定器が簡素であるのでコスト面だけでなく、メンテナンス面でも有利となる。
【００４５】さらに、光ファイバを用いたセンサは性能がほぼ一定しているので、２つのセンサを用いたことで検出精度が悪化することもない。
【００４６】また、液体を充填した第１、第２タンクを設けて内外水の圧力比較を間接的に行うものは、内外水を本体部の中に導入する必要がなく、異物の侵入対策やメンテナンスがより容易になる。
【００４７】なお、天秤を設けた測定器は、力のバランスが崩れて天秤が傾いたときに、片側でセンサの加圧子が押し込まれ、他側ではその押し込みが解除されるため、２つのセンサの光伝送損失に明確な差が生じ、水位差の有無の判定がし易くなる。
【００４８】また、天秤の釣り合い状態を示す指針を設けた測定器は、現地での操作員による水位状況の把握がし易く、樋門等の開け閉めを適切なタイミングで行うことが可能になる。
【００４９】さらに、変位の増幅機構を有する測定器は、感度が向上して測定精度がより一層向上する。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００２１３０
【氏名又は名称】住友電気工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年１２月２１日（１９９９．１２．２１） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７４２０６
【弁理士】
【氏名又は名称】鎌田 文二 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１９４１４２（Ｐ２００１−１９４１４２Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年７月１９日（２００１．７．１９） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−３６２７７２ |
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