JP2003043059A - 光式流向センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 樋門、樋管等を通って流れる流水の流向をゲ
ートを閉じた状況下において検知できる光ファイバ使用
の光式流向センサを提供する。 【解決手段】 内水Ａの水圧と外水Ｂの水圧を受圧部
１、２、導圧管３、４内の圧力媒体７経由で対向した可
動子１１、１２に伝え、両水圧のバランスが崩れたとき
に光ファイバに形成されたセンサ素子１７、１８の一方
が引き伸ばされ、他方が縮むようにした。そして、その
センサ素子１７、１８の伸び歪を測定し、内水Ａと外水
Ｂのどちらの水圧（水位）が高いかを検出してゲートＧ
が開かれたときの流向を知るようにした。

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、河川の水位管理
用などとして使用する光式流向センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、樋門、樋管などのゲート（門扉）
制御のために、流向センサを用いて流水の流向を検出す
ることが行われている。

【０００３】その流向検出に利用するセンサとしては、
超音波式流向計、放熱式流向計、電磁式流向計などがあ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】超音波式流向計は、超
音波送受信機を流水方向に対して予め設定した角度で設
置し、一方の送受波器から他方の送受波器に向けて超音
波パルスを打ち出すと共に逆方向にも同じことを実施
し、その超音波パルスの伝搬時間、設定角度、測線長か
ら流速と流向を計測するが、これは、計測線上に連続し
た気泡が発生すると計測が旨くできない。また、土砂混
じりの水の場合、超音波の透過が阻害されて計測精度が
低下し、加えて放熱式に比べて高価につく欠点がある。

【０００５】放熱式流向計は、熱伝導ケースの内部中央
に発熱体を設置し、その前後に感熱センサを取付け、ど
ちらのセンサの温度が高いかによって流向を検知する
が、これはポイント式センサであり、渦や対流等がある
と計測に支障が出る。また、センサが小さいため、川幅
が広いと全体の把握ができない。ゴミの影響も受け易
く、水位が低下してセンサが空中に出たときの信頼性低
下もある。

【０００６】電磁式流向計は、ファラデーの右手の法則
を応用し、検出器が作る磁界が水を横切ることで生じる
超電力によって流向を計測する。これもポイント式であ
り、放熱式とほぼ同じ欠点を有する。

【０００７】また、いずれの方式の流向計も、ゲートが
閉じられて水の流れが止まると、その機能を発揮できな
いと云う致命的とも云える欠点を持つ。

【０００８】樋門、樋管の管理では、閉じられたゲート
を開放すべきか否かの判断も重要になる。内水位（民家
のある側）が外水位（河川側）よりも少しでも高くなれ
ば、民家の浸水防止のためにゲートを用いて内水を河川
に流すことが望まれ、また、外水位が内水位よりも高け
れば逆流防止のためにゲートを閉じたままにすることが
望まれる。従来の流向計は、ゲートの閉鎖判断のための
逆流検知に利用され、ゲートを開けるか否かは、監視員
が内外の水位差を勘と経験に頼り、目視確認して決めて
いるのが実情である。これでは、自動監視ができず、判
断ミスやゲートの開放遅れなども生じてしまう。

【０００９】この発明は、かかる不具合を解消すること
を課題としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の不具合を無くすた
め、この発明においては、可動受圧面に第１地点の流体
圧と第１圧力媒体の圧力を対向して受ける第１受圧部
と、可動受圧面に第２地点の流体圧と第２圧力媒体の圧
力を対向して受ける第２受圧部と、第１、第２受圧部か
ら第１、第２導圧管を介して個別に伝わる第１、第２圧
力媒体の圧力を個々に相反する方向に受けて変位する第
１、第２可動子を有し、第１、第２可動子の変位で光フ
ァイバに形成したセンサ素子の伸び歪を変化させる差圧
検知部とを有し、前記センサ素子の歪量を測定して第
１、第２地点のどちらの流体圧が高いかを検出し、第
１、第２地点間の流路が開かれたときの流向を差圧の発
生状況に基づいて検知するようにした光式流向センサを
提供する。

【００１１】なお、このセンサの好ましい形態を以下に
列挙する。 （ａ）第１、第２導圧管をフレキシブル管にする。 （ｂ）第１、第２可動子の移動量を、センサ素子に必要
以上のストレスが加わらない範囲に規制するストッパを
設ける。 （ｃ）第１、第２可動子を一体化して第１、第２圧力媒
体の圧力を両端に対向して作用させる。 （ｄ）前記センサ素子として、光ファイバ上にブラッグ
回折格子を形成したファイバーブラッググレーティング
素子を２個設け、第１、第２素子に、第１、第２可動子
の変位で相反する向きの伸び歪を与える。 （ｅ）第１、第２素子に初期張力を与える。 （ｆ）第１、第２圧力媒体として不凍液を用いる。

【００１２】このほか、この発明のセンサは、水以外の
流体や気体などの流向検知にも利用できるが、流水の流
向検知に利用する場合には、第１、第２受圧部を、樋
門、樋管の両側の外水部と内水部に設置して外水部と内
水部間の流向を検知し、さらに、必要時に内水の排出が
なされる外水部に水位センサを設けてその水位センサに
よる検出水位レベルが閾値以下のときに流向検知を停止
するもの、或いは第１、第２受圧部を、樋門、樋管の両
側の外水部と内水部に設置し、さらに、第１、第２受圧
部を、流向検知水位レベル点に位置を揃えて配置したも
のにすると無用な判定を行わずに済む。

【００１３】

【作用】この発明のセンサは、水の流れではなく、比較
地点の水位差（圧力差）を見て流向を検知する。水は水
位の高い方から低い方へ流れるので、比較地点のどちら
の水位が高いかを検出すれば、ゲートを開けなくても開
けたときの流向を知ることができる。

【００１４】この判定を、水位計を用いて行うと、２箇
所の比較地点にそれぞれ水位計を設置する必要があり、
不経済である。また、水位計では微妙な水位差を捕える
のが難しく、判定精度が粗くなる。

【００１５】この発明のセンサは、ひとつで水位差を検
出でき、また、水位差を光ファイバの伸びに変えて検出
するので、１本の光ファイバによる遠隔監視が行え、コ
スト面や監視システムの設置、運用面で非常に有利にな
る。

【００１６】また、導圧管を介して水圧を伝達するので
差圧検知部を地上に設置でき、センサの点検が容易、光
ファイバの引き回しが楽と云ったメリットもある。

【００１７】その他の好ましいとした構成の作用、効果
は次項で述べる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、流水の流向検知を例に挙げ
て、この発明のセンサの実施形態を説明する。

【００１９】図１の流向センサは、第１受圧部１、第２
受圧部２、２つの導圧管３、４、差圧検知部５、光ファ
イバケーブル６及び圧力媒体７を用いて構成されてい
る。

【００２０】差圧検知部５は、本体枠８に相反する向き
に取付けた２つのベローズタンク９、１０と、各ベロー
ズタンクの底壁に止着する第１可動子１１、第２可動子
１２と、第１、第２可動子１１、１２を連結するフレー
ム１３と、可動子１１、１２の移動量を規制するストッ
パ１４、１５と、本体枠８に取付けた固定子１６と、ケ
ーブル６中の光ファイバの長手途中に形成した２組のセ
ンサ素子１７、１８と、全体を覆う防水ケース（図示せ
ず）とから成る。

【００２１】センサ素子１７、１８は、共にファイバー
ブラッググレーティング素子（以下ＦＢＧと記す）であ
る。可動子１１と固定子１６に設けたローラ１９ａ、１
９ｂ間及び可動子１２と固定子１６に設けたローラ２０
ａ、２０ｂ間に各センサ素子１７、１８を初期張力を加
えて巻きつけ、滑りを生じないようにローラに固定して
取付けている。ローラ間の光ファイバターン部はダミー
ファイバ２１となり圧力検出には利用されない。

【００２２】受圧部１、２は、ベローズポンプで構成さ
れるものを示したが、周りをネット等で囲って保護すれ
ばゴムバッグ、ゴムタンクなどで形成することもでき
る。

【００２３】導圧管３、４は、フレキシブル管を用いて
いる。また、圧力媒体７は不凍液を用いている。この圧
力媒体７は、各受圧部1 、２と、導圧管３、４及びベロ
ーズタンク９、１０に封入されており、受圧部１、２に
加わる水圧がこの圧力媒体７を介して各可動子１１、１
２に伝達される。

【００２４】図１のＧは、樋門、樋管などのゲートであ
り、このゲートＧの両側（内水Ａ側と外水Ｂ側）に受圧
部１、２がそれぞれ同一高さレベルにして設置される。
また、差圧検知部５は、地上の適当な位置に設置され
る。

【００２５】この図１の流向センサは、図に示すよう
に、外水Ｂの水位（水圧）が内水Ａのそれより高いと、
可動子１１、１２に対向して加わる力のバランスが崩れ
て可動子１１、１２がフレーム１３と共に中立点から図
中左方に移動し、それにより、センサ素子１７が引き伸
ばされ、１８が縮む。従って、両素子１７、１８の歪量
を測定することで、外水Ｂの水位が内水Ａのそれよりも
高く、ゲートＧを開けると外水Ｂが内水側に逆流するこ
とが判る。また、内水Ａの水位が外水Ｂのそれより高け
れば、センサ素子１７、１８の歪の大小関係が逆転し、
ゲートＧをあけたときの流向が図１の場合と逆になるこ
とが判る。

【００２６】この図１の流向センサは、フレキシブルな
導圧管３、４を使っているので、差圧検知部の設置点の
選択の自由度と据え付けの自由度が高く、検知システム
の構築が容易になる。

【００２７】また、可動子１１、１２の移動量をストッ
パ１４、１５で規制するので、センサ素子１７、１８に
無用のストレスが与えられることがなく、両素子の過大
伸びによる疲労、破断が防止されて装置の信頼性、耐久
性が高まる。なお、この発明で採用するセンサ素子は圧
力の絶対値を検出するものではない。圧力差の有無を検
出できればよく、従って、ストッパ１４、１５で可動子
１１、１２の移動量を規制しても検出には何ら悪影響は
出ない。

【００２８】また、可動子１１、１２をフレーム１３で
連結しているので、差圧検知部５が簡素化され、製造
面、コスト面で更に有利になる。

【００２９】さらに、センサ素子１７、１８としてＦＢ
Ｇを用いたので、検出感度が高く、微妙な水位差も検知
可能となる。

【００３０】ＦＢＧは、Ｇｅ添加コアファイバの紫外光
誘起屈折率変化を用いて光ファイバ上にブラッグ回折格
子を形成したもので、歪付加によるグレーティングのピ
ッチ変化によって反射波長が変化する。従って、その反
射波長の値から光ファイバに生じた歪（即ち圧力）を求
めることができる。

【００３１】このＦＢＧの感度は、３．３×１０^-4％と
非常に高く、ＦＢＧに直接圧力が作用するとした場合、
荷重換算で０．３３ｇを検知できる。

【００３２】このＦＢＧは、最低ひとつあればよいが、
単一ＦＢＧで圧力差の有無を確認しようとすれば、温度
変動範囲を予め想定しておいてそれを越える歪変化があ
ったときに流向判定がなされるようにしておく必要があ
り、それでもラフな計測しか行えない。これに対し、Ｆ
ＢＧを２つ用いると水位のレベル差が小さくても、第
１、第２可動子に対向して加わる力のバランスを見て温
度補償無しで流向を検知することができる。

【００３３】また、２つのセンサ素子１７、１８に初期
張力を与えているので、圧力差で一方の素子の伸びが増
大したときに他方の素子は縮み、両素子の伸びの差（検
出圧力の差）が明確に現われる。これによりセンサの感
度が更に良くなり、より小さな圧力（水位）差を検知す
ることが可能になる。

【００３４】さらに、圧力媒体７として不凍液を用いた
ので、センサの検知精度、動作信頼性の低下が生じな
い。圧力媒体を使って圧力伝達を行うこの発明のセンサ
は、圧力伝達の正確化のために圧力を効率良く伝達で
き、しかも比熱が大きくて体積膨張率（線膨張係数）の
小さな圧力媒体が望まれる。その要求に応えられるもの
として水を用いると氷点下におかれたときに媒体が凍結
してセンサが作動しなくなる。また、シリコン油等を用
いる場合には環境汚染が考えられるが、不凍液を使用す
ればその問題が生じない。

【００３５】図２は、図１の流向センサと水位センサを
組合わせた流向監視システムである。併用する水位セン
サ２２は、外水Ｂ側に設置する。２３は光ファイバケー
ブル６に接続する監視制御装置、２４は歪測定器であ
る。これ等は監視局舎等に設置される。２５は光ファイ
バ接続箱である。

【００３６】この発明のセンサによる流向検知では、第
１受圧部１からベローズタンク９に至る部分と、第２受
圧部２からベローズタンク１０に至る部分の環境温度が
異なると導圧管３、４内の圧力媒体の熱膨張量に差が出
て温度の高い側の圧力が上昇したと誤認する懸念があ
る。

【００３７】そこで、圧力媒体７は線膨張係数が小さ
く、かつ比熱の大きなものを選択するが、それでも下記
の問題が生じる。

【００３８】即ち、好天時には内外水の水位差を気にす
る必要は殆どない。水位差が問題になるのは、悪天候時
（降雨時）である（このときには、気にするほどの温度
差は発生しない）。従って、悪天候時にのみ水位比較を
行えばよいが、現地での天候観測を行わなければそのよ
うなことはできず、また、天気の良し悪しによってセン
サ情報を使い分けるのは煩雑であり、好ましいことでは
ない。

【００３９】図２のセンサシステムはその不具合を無く
し得る。実施で問題となるのは河川、即ち外水Ｂの水位
があるレベルを越えたときである。そこで、水位センサ
２２による検出値が所定の閾値以下であれば流向判定を
停止すると云う制御アルゴリズムを組合わせて無用の判
定を避ける。水位が高くなっているときには導圧管３、
４の大部分が水面下にある可能性が高く、温度差が小さ
くて誤検知の可能性は小さくなる。

【００４０】なお、図２の水位センサ２２を設ける代わ
りに、受圧部１、２を流向検知を行う水位レベル点に高
さを揃えて設ける構成にしてもよい。内外水の水位が水
位検知レベルよりも低ければ受圧部１、２の受圧面が水
面上に出てセンサ素子１７、１８の出力レベルが同じに
なる。この場合、判定出力を中立としたり、出力を出さ
ないと云った運用が可能であり、水位センサ無しで誤検
知の可能性を低くすることができる。

【００４１】なお、以上の説明は、水の流向検知を例に
挙げたが、この発明のセンサは水以外の流体や気体の流
向検知にも利用できる。

【００４２】

【発明の効果】以上述べたように、この発明の流向セン
サは、流体の直接の流れを見るのではなく、比較地点間
の水位差や圧力差を検知してゲートを開けたときに生じ
る流向を検知するので、閉じたゲートを開けるべきか否
かをタイミング遅れ無く判断することが可能になる。

【００４３】また、光ファイバを用いたひとつの簡単な
センサを現地に設置すればよく、安価かつ施工性のよい
監視システムを実現できる。

【００４４】なお、フレキシブル導圧管を用いたものは
施工の自由度がより高まる。

【００４５】また、可動子の移動をストッパで規制する
ものは、センサの信頼性、耐久性が高まり、２つの可動
子を連結一体化したものは差圧検知部の簡易化が図れ
る。

【００４６】さらに、センサ素子としてＦＢＧを用いた
もの、そのＦＢＧを２つ用いて各ＦＢＧに初期張力を与
えたものは、小型のセンサで高感度を確保できる。

【００４７】このほか、圧力媒体として不凍液を用いた
ものは、温度変化に起因した誤検知や動作信頼性の低下
が少なくなる。

【００４８】また、水位センサを併用するもの、第１、
第２受圧部を水位検知レベル点に位置を揃えて設置する
ものは、無用の判定を止めて誤検知の原因を減らすこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の流向センサの実施形態を示す断面図

【図２】水位センサを併用した流向監視システムの概要
図

【符号の説明】

１ 第１受圧部 ２ 第２受圧部 ３、４ 導圧管 ５ 差圧検知部 ６ 光ファイバケーブル ７ 圧力媒体 ８ 本体枠 ９、１０ ベローズタンク １１ 第１可動子 １２ 第２可動子 １３ 連結フレーム １４、１５ ストッパ １６ 固定子 １７、１８ センサ素子 １９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂ ローラ ２１ ダミーファイバ ２２ 水位センサ ２３ 監視制御装置 ２４ 歪測定器 Ａ 内水 Ｂ 外水 Ｇ ゲート

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川本 智宏 大阪市此花区島屋一丁目１番３号 住友電 気工業株式会社大阪製作所内 (72)発明者 末谷 正晴 大阪市此花区島屋一丁目１番３号 住友電 気工業株式会社大阪製作所内 Ｆターム(参考） 2F014 AA16 AB02 BA03 2F034 AA04 AC10 DB04 DB14 2F055 AA39 BB05 CC04 DD20 EE31 FF49 GG11 2F065 AA65 FF41 FF48 LL02 LL42

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可動受圧面に第１地点の流体圧と第１圧
   力媒体の圧力を対向して受ける第１受圧部と、可動受圧
   面に第２地点の流体圧と第２圧力媒体の圧力を対向して
   受ける第２受圧部と、第１、第２受圧部から第１、第２
   導圧管を介して個別に伝わる第１、第２圧力媒体の圧力
   を個々に相反する方向に受けて変位する第１、第２可動
   子を有し、その第１、第２可動子の変位で光ファイバに
   形成したセンサ素子の伸び歪を変化させる差圧検知部と
   を有し、 前記センサ素子の歪量を測定して第１、第２地点のどち
   らの流体圧が高いかを検出し、第１、第２地点間の流路
   が開かれたときの流向を差圧の発生状況に基づいて検知
   するようにした光式流向センサ。
2. 【請求項２】 第１、第２導圧管をフレキシブル管にし
   た請求項１記載の光式流向センサ。
3. 【請求項３】 第１、第２可動子の移動量を、センサ素
   子に必要以上のストレスが加わらない範囲に規制するス
   トッパを設けた請求項１又は２記載の光式流向センサ。
4. 【請求項４】 第１、第２可動子を一体化して第１、第
   ２圧力媒体の圧力を両端に対向して作用させるようにし
   た請求項１〜３のいずれかに記載の光式流向センサ。
5. 【請求項５】 前記センサ素子として、光ファイバ上に
   ブラッグ回折格子を形成したファイバーブラッググレー
   ティング素子を２個設け、第１、第２素子に、第１、第
   ２可動子の変位で相反する向きの伸び歪を与えるように
   した請求項１〜４のいずれかに記載の光式流向センサ。
6. 【請求項６】 第１、第２素子に初期張力を与えた請求
   項５記載の光式流向センサ。
7. 【請求項７】 第１、第２圧力媒体として不凍液を用い
   た請求項１〜６のいずれかに記載の光式流向センサ。
8. 【請求項８】 第１、第２受圧部を、樋門、樋管の両側
   の外水部と内水部に設置して外水部と内水部間の流向を
   検知し、さらに、必要時に内水の排出がなされる外水部
   に水位センサを設けてその水位センサによる検出水位レ
   ベルが閾値以下のときに流向検知を停止するようにした
   請求項１〜７のいずれかに記載の光式流向センサ。
9. 【請求項９】 第１、第２受圧部を、樋門、樋管の両側
   の外水部と内水部に設置し、さらに、第１、第２受圧部
   を、流向検知水位レベル点に位置を揃えて配置した請求
   項１〜７のいずれかに記載の光式流向センサ。