JP2003075464A - 光式流向センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 上流側と下流側の流速による圧力差を検出し
て流れがあるときの水流等の流向を検知でき、流れが無
いときの流向検知にも利用できる構造が簡単で信頼性に
優れ、多点監視も容易な光式流向センサを提供する。 【解決手段】 固定フレーム２の両端にベローズ３、４
を相反する向きにして設け、両ベローズ間をケース５で
封止する。また、各ベローズの受圧部３ａ、４ａ間を可
動フレーム６で連結し、その可動フレームに取付けたロ
ーラ９、１１と固定フレーム２に取付けたローラ１０、
１２間に光ファイバ７を巻き付け、ＦＢＧ素子を形成し
たセンサ部１３、１４のベローズ変位による歪変化を測
定してベローズ３、４のどちらが高い流体圧を受けてい
るかを検出し、その圧力の高低によって流向を検知する
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
用などに利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。空気の流れも熱放散に影響を与え、センサが
空中に出ると空気の流向を水の流向として誤検知する可
能性がある。

【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
起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】そこで、この発明は、流体に流れがあると
き、無いときのどちらの流向検知にも対応できるように
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】上記の課題を解決するた
め、この発明においては、互いに背を向け合うように配
置されて各々が先端の受圧部に流体圧を相反する向きに
受ける第１、第２ベローズと、両ベローズ間を気密に封
止するケースと、伸び歪測定用の第１、第２センサ部を
長手途中に有する光ファイバとを有し、第１ベローズの
受圧部変位量に応じた伸び歪の変化が第１センサ部に、
第２ベローズの受圧部変位量に応じた伸び歪の変化が第
２センサ部に各々生じるように前記光ファイバが各ベロ
ーズとケース内の固定部との間に架け渡され、第１、第
２センサ部で第１、第２ベローズに加わる流体圧の大小
関係を検出して流向を検知するようにした光式流向セン
サを提供する。

【００１１】このセンサは、第１、第２ベローズの受圧
部を可動連結材で連結し、かつ、光ファイバの第１、第
２センサ部に初期張力を与えた構成にするとより好まし
いものになる。また、第１、第２センサ部として、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用い、第１、第２センサ部の
長さと、それぞれのセンサ部に形成した素子の長さを等
しくしておくのも好ましい。

【００１２】そのファイバーブラッググレーティング素
子（以下ＦＢＧと称す）を用いたものは、第１、第２セ
ンサ部のＦＢＧ素子の反射波長を両素子の歪変動範囲内
で重ならないように異ならせておくと、両素子の反射波
長のピーク値の差が初期反射波長の差に対して大きいか
小さいかで第１、第２ベローズに加わる流体圧のどちら
が高いかを検出することができる。

【００１３】このほか、第１、第２ベローズの受圧部変
位量を歪測定部の光ファイバ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のも好まし
い。

【００１４】

【作用】この発明のセンサは、流体から加わる圧力を光
ファイバの歪に変換し、第１、第２センサ部の歪から、
第１、第２ベローズのどちら側の流体圧が大きいかを検
出して流向を検知する。

【００１５】今、流体の流れに対して第１ベローズが上
流側、第２ベローズが下流側にあったとすると、上流と
下流の流体圧には流速による差が生じるため、第１ベロ
ーズに加わる圧力が第２ベローズに加わる圧力よりも大
きくなる。その圧力差が第１、第２センサ部の歪量の差
となって現れ、従って、どちらのセンサ部の歪が大きい
かを見ることによって流れがあるときの流向を知ること
ができる。

【００１６】また、ゲートが閉じられていてゲートの両
側の水路に水位差があるとしたら、両側の水路の水圧に
も水位差による差が生じている。従って、第１、第２ベ
ローズに水路の両側の水圧が別々に作用するようにセン
サを設置しておけば、どちらの側の水圧が高いかを検知
することができる。流体は圧力の高い方から低い方へと
流れるので、水圧の高低を検知すれば、ゲートを開けな
くても開けたときの流向が判る。

【００１７】ゲートが閉じられているときには水流は無
い。従って、この発明のセンサは、流れがある場合、無
い場合ともに流向検知が行え、利用範囲が拡大する。加
えて信頼性にも優れ、また、現地電源が不要、構造が簡
単、設置やメンテナンスが容易、１本の光ファイバライ
ンによる多点の遠隔監視が可能と云った多くの利点を有
し、コスト面、監視システムの設置、運用面で非常に有
利になる。

【００１８】なお、その他の好ましいとした構成の作
用、効果については次項で述べる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、この発明の光式流向センサ
の実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。

【００２０】図に示すように、例示の流向センサ１は、
固定フレーム２と、その固定フレーム２の両端に互いに
背を向けた状態にして設ける第１ベローズ３及び第２ベ
ローズ４と、固定フレーム２を収納してベローズ３、４
間を気密に封止するケース５と、ケース５内に貫通して
設ける可動フレーム６と、光ファイバ７を備えて成る。

【００２１】ベローズ３、４の受圧部３ａ、４ａは、可
動フレーム６によって連結され、両受圧部に作用する流
体圧に差が生じたときに連動して変位する。

【００２２】外部の光ケーブル８に連なる光ファイバ７
は、可動フレーム６の一端側に取付けたローラ９と固定
フレーム２に取付けたローラ１０間及び可動フレーム２
の他端側に取付けたローラ１１と固定フレーム２に取付
けたローラ１２間に巻き付けて固定されており、ローラ
９、１０間及び１１、１２間の光ファイバがそれぞれＦ
ＢＧ素子（図示せず）を有し、歪測定用のセンサ部１
３、１４となっている。

【００２３】ローラ間に巻き付けた光ファイバ７の往路
側、復路側のどちらか一方がセンサ部１３、１４として
利用され、他方はバランスをとるためのダミーファイバ
１５となっている。

【００２４】受圧部の変位量が小さければ光ファイバの
素線におけるクラッドと緩衝層間での滑りは殆ど発生せ
ず、その場合にはダミーファイバ１５を省き、光ファイ
バのセンサ部１３、１４を直線的に配置して固定するこ
ともできる。

【００２５】なお、センサ部１３、１４の長さと、各セ
ンサ部に設けたＦＢＧ素子の長さは等しくしている。ま
た、センサ部１３、１４とダミーファイバ１５には初期
張力を与え、さらに、受圧部３ａ、４ａが動き過ぎない
ように、可動フレーム６の変位量を規制するストッパ１
６、１７を設けている。

【００２６】センサ部１３、１４に与える初期張力は、
受圧部３ａ、４ａが最大に変位した位置でゼロになるか
又は幾分か残るようにしておくのがよい。

【００２７】ＦＢＧは、Ｇｅ添加コアファイバの紫外線
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。

【００２８】このＦＢＧを有するセンサを複数シリーズ
に接続する場合、各ＦＢＧ素子の反射波長を異ならせ、
各素子の波長シフト量が最大となったときにも波長が重
ならないように隣り合う素子の反射波長域間に一定の間
隔をあけておく必要がある。

【００２９】光源の波長幅には制約があるため、その間
隔はできる限り狭くするのがよく、それによって直列に
接続できるセンサの台数を増やせる。

【００３０】流向検知のみを目的とするセンサは、圧力
の絶対値を検出する必要はない。どちらのＦＢＧの歪が
大きいかを検知できればよい。

【００３１】ベーズ３、４の受圧部３ａ、４ａを連結し
て連動させる図示のセンサは、ベローズ３、４に作用す
る圧力に差が生じるとその差圧によって一方のベローズ
が圧縮され、他方のベローズが伸長する。そのため、一
方のＦＢＧの伸び歪が大きくなり、他方のＦＢＧの伸び
歪は小さくなる。

【００３２】これにより、感度が倍加するため、僅かな
伸びを与えればよく、ストッパ１６、１７で受圧部の変
位量を微小範囲に規制して光ファイバを過度のストレス
から保護する構造にしても高感度が得られる。

【００３３】また、ストッパを設けてセンサ１台当りの
ＦＢＧの歪量（即ちＦＢＧの波長シフト幅）を制限する
ことで、直列に接続可能なセンサ数を更に増やせる。

【００３４】ちなみに、ベローズのばね定数が１００ｇ
ｆ（０．９８０６６５Ｎ）／ｍｍ、光ファイバの伸びが
１％／ｋｇｆ、ＦＢＧの長さが１０ｃｍと仮定すると、
１００ｇｆの荷重による光ファイバの伸びは０．１ｍｍ
であり、１００ｇｆの荷重の大部分はＦＢＧが受け止め
ることになる。一方、ＦＢＧは感度が非常に高くて０．
０００４％の伸び歪を測定でき、長さが１０ｃｍの素子
の場合、０．０００４ｍｍの変位を検知できる。従っ
て、ベローズの存在を無視して考えると１ｇｆの荷重が
あればＦＢＧに０．００１ｍｍの変位を与えることがで
きるので、ベローズの受圧面積を１０ｃｍ² とすると、
０．１ｇｆ／ｃｍ² の荷重があればこれを検知できるこ
とになる。

【００３５】河川等の水流が有る場所では流速の影響で
ベローズ３、４に加わる水圧にその程度の差は充分に現
れ、従って、小型のセンサで流向を検知することが可能
である。

【００３６】次に、ベローズ３、４に作用する圧力のど
ちらが高いかをセンサ部１３、１４に設けたＦＢＧの反
射波長のピーク値の差で判断する例について説明する。

【００３７】今、一方のＦＢＧの初期波長をα１＝１５
４０ｎｍ、もう一方のＦＢＧの初期波長をα２＝１５６
０ｎｍとしてα１側が伸び、α２側が縮んだ場合を考え
る。このとき、２つのＦＢＧにそれぞれ１ｎｍの波長変
化があったとすると、α１側の反射波長は１５４０→１
５４１、α２側は１５６０→１５５９となり、その差は
１５５９−１５４１＝１８ｎｍとなる。

【００３８】逆にα１側が縮み、α２側が伸びてそのと
きにそれぞれ１ｎｍの波長変化があったとすると、反射
波長はα１＝１５４０→１５３９、α２＝１５６０→１
５６１で２者の差は１５６１−１５３９＝２２ｎｍとな
る。この差がＦＢＧの初期反射波長の差１５６０−１５
４０＝２０ｎｍに対して大きくなったか、小さくなった
かを見て流向を判断する。

【００３９】図示のセンサの場合、流体圧が高い側のＦ
ＢＧが縮み、低い側のＦＢＧが伸びる（ローラ１０、１
２を可動フレーム６に９、１１を固定フレーム２に各々
固定したときにはその現象が逆になる）ので、予め向き
を決めてセンサを設置しておけば、流れのある箇所での
流向検知が行える。

【００４０】なお、温度変化があって一方のＦＢＧが例
えば０．１ｍｍ伸びたとするとこのときには他方のＦＢ
Ｇも０．１ｍｍ伸び、温度変化による伸びがキャンセル
される。これにより、２つのＦＢＧに現れる反射波長の
差に変化が出ない。流れが無くて温度変化があると２つ
のＦＢＧの反射波長が変化するが、この場合も反射波長
の差は依然として２０ｎｍと評価され、現状では流れが
無いことが判る。

【００４１】水中に浸漬したセンサが水位低下によって
空中に出たときにも反射波長の差は変化せず、放熱式流
向計のように不安定な動作（空気の移動による誤作動）
をすることはない。

【００４２】また、放熱式流向計や電磁式流向計の問題
点であるポイント計測に対しては、センサのベローズ間
間隔を広げることで検知エリアを広げることができる
が、この方法ではセンサが大型化し、エリア拡大に限界
があるので、広いエリアの監視が必要な場合には、図３
に示すように、直列に接続したセンサを横並びにして複
数設置することを奨める。超音波式流向計に比べてセン
サの使用数が増えるが、超音波式流向計の欠点である気
泡、土砂混じりの水での検知精度低下などの問題は本方
式では発生しない。なお、図３の矢印は水流の方向を表
している。

【００４３】図４は、この発明のセンサで内水Ａと外水
Ｂの水位差を検出する例を示している。内水Ａ側と外水
Ｂ側はゲート（図示せず）及び隔壁Ｃによって仕切られ
ており、ゲートが閉じられていて内外水ＡＢに図のよう
に水位差が生じると、隔壁Ｃに取付けたこの発明の流向
センサ１で、どちらの水位が高いか、即ち、ゲートを開
いたときの流向をゲートを開かずに（流れが無いとき
に）知ることができる。

【００４４】なお、ここでの説明は水の流向検知を例に
挙げて行ったが、この発明のセンサは、水以外の液体や
気体の流向検知にも利用できる。

【００４５】

【発明の効果】以上述べたように、この発明の流向セン
サは、両端のベローズに作用する流体の圧力差を検出し
て流向を検知する。流向判定の指標となす圧力差は、流
れがあるときの流速の影響による圧力差、流れが無いと
きの液位差による圧力差のどちらにも対応でき、構造が
簡単で信頼性、安定性に優れ、コスト面、設置、運用面
で極めて有利な監視システムを構築して河川の流向監
視、水位管理などを監視員に依存せずに行うことが可能
になる。

【００４６】なお、２つのセンサ部に初期張力を与えて
おき、第１、第２ベローズの受圧部を連結して連動させ
るものは、圧力差が生じたときにセンサ部の一方が伸
び、他方が縮むので、検出感度が高まる。

【００４７】第１、第２センサ部にＦＢＧ素子を採用し
たものは、圧力差による変位量が小さくても高感度検出
が行え、より好ましいものになる。

【００４８】さらに、２つのＦＢＧの反射波長のピーク
値の差を初期波長の差と比較してどちらの圧力が高いか
を判断するものは、自動的に温度補正が行われ、温度計
測せずに温度補償を実施することができる。

【００４９】このほか、ストッパを設けて圧力差による
ベローズ受圧部の変位量を規制するものは、１本の光フ
ァイバラインに組込むセンサ数を増加させて１台の測定
器で数多くのセンサを監視すること、及びセンサ部を過
大ストレスから確実に保護してセンサの寿命を延ばすこ
とが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のセンサの実施形態を示す側面視断面
図

【図２】同上のセンサの平面視断面図

【図３】センサを複数台設けて監視エリアを拡大した例
を示す平面図

【図４】流れが無い場所でのセンサの使用例を示す図

【符号の説明】

１ 流向センサ ２ 固定フレーム ３ 第１ベローズ ３ａ 受圧部 ４ 第２ベローズ ４ａ 受圧部 ５ ケース ６ 可動フレーム ７ 光ファイバ ８ 光ケーブル ９、１０、１１、１２ ローラ １３、１４ センサ部 １５ ダミーファイバ １６、１７ ストッパ Ａ 内水 Ｂ 外水 Ｃ 隔壁

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） 2F034 AA03 DB08 DB14 2F055 BB05 CC04 EE15 EE31 FF02 FF43 2F065 AA65 CC00 FF48 LL02 LL42

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに背を向け合うように配置されて各
   々が先端の受圧部に流体圧を相反する向きに受ける第
   １、第２ベローズと、両ベローズ間を気密に封止するケ
   ースと、伸び歪測定用の第１、第２センサ部を長手途中
   に有する光ファイバとを有し、第１ベローズの受圧部変
   位量に応じた伸び歪の変化が第１センサ部に、第２ベロ
   ーズの受圧部変位量に応じた伸び歪の変化が第２センサ
   部に各々生じるように前記光ファイバが各ベローズとケ
   ース内の固定部との間に架け渡され、第１、第２センサ
   部で第１、第２ベローズに加わる流体圧の大小関係を検
   出して流向を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ベローズの受圧部を可動連結
   材で連結し、かつ、光ファイバの第１、第２センサ部に
   初期張力を与えた請求項１に記載の光式流向センサ。
3. 【請求項３】 第１、第２センサ部として、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用い、第１、第２センサ部の長さ
   と、それぞれのセンサ部に形成した素子の長さを等しく
   した請求項１又は２に記載の光式流向センサ。
4. 【請求項４】 第１、第２センサ部のファイバーブラッ
   ググレーティング素子の反射波長を両素子の歪変動範囲
   内で重ならないように異ならせ、両素子の反射波長のピ
   ーク値の差が初期反射波長の差に対して大きいか小さい
   かで第１、第２ベローズに加わる流体圧のどちらが高い
   かを検出するようにした請求項３に記載の光式流向セン
   サ。
5. 【請求項５】 第１、第２ベローズの受圧部変位量を歪
   測定部の光ファイバ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乃至４のいず
   れかに記載の光式流向センサ。