JP2001194142A - 水位差測定器及び水位差監視システム - Google Patents

Abstract

(57)【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。

Description

【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（ＯＴＤ
Ｒ）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、２
４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ＯＴＤ
Ｒ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。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の水位差測定器の実施形態を示す概略
構成図

【図２】（ａ）センサの非作動時の構造を示す断面図 （ｂ）センサの作動時の構造を示す断面図

【図３】センサの加圧子の好ましい例を示す斜視図

【図４】水位測定器の他の実施形態を示す概略構成図

【図５】天秤に指針を設けた例を示す図

【図６】増幅機構を付加した例を示す図

【図７】監視システムの概要を示す図

【図８】測定器の他の実施形態の要部を示す断面図

【図９】図８の測定器の変形例を示す断面図

【図１０】指針の駆動方法の他の例を示す図

【符号の説明】

１ 第１導水室 ２ 第２導水室 ３ ベローズ ３ａ 端壁 ４ 台座 ５ 天秤 ６ ロッド ７ センサ ７ａ 加圧子 ７ｃ 光ファイバ ８ 空気抜き孔 ９ カバー １０ フロート １１ キャップ １２ 指針 １３ ストッパ １４ てこ １５ 水位差測定器 １６ 光ファイバケーブル １７ 光伝送損失分布測定装置 １８ データ処理、表示装置 １９、２０ ゴムタンク ２３ 第１導液室 ２４ 第２導液室 ２５ 第１受圧板 ２６ 第２受圧板 ２７ 大気室 ３０ 可撓性シール膜 ３３ 揺動杆 ３４ 変位伝達ワイヤ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｂ 6/00 Ｇ０２Ｂ 6/00 Ｂ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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。
3. 【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。
4. 【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。
5. 【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。
6. 【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。
7. 【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。