【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流速、とりわけ河川における流速を測定する流速センサに係り、特に、天候や河川状況に左右されず流速が測定できる光ファイバ流速センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
台風や大雨による洪水のときに起きる破堤の形態は、緩流河川では越水、浸透などが起因になる場合が多く、急流河川では水衝部での根固めや護岸の洗掘により堤脚から破壊が生じて破堤に至る場合が多い。また、洪水のときに道路橋の橋脚が周辺の河床洗掘により傾斜・沈下することもある。
【０００３】
このため、台風や大雨による出水時における堤防や橋等の河川管理施設の維持管理のために、ＣＣＴＶカメラによる監視や直接現地の巡視による目視確認を行っている。しかし、前記状況での洗掘を予想するには、河川の流速を随時観測して把握しておくことが重要であり、流速の測定方法には、
▲１▼流体と共に移動するマークの速度を測定する方法、
▲２▼ピトー管、オリフィス板、ベンチュリ管等で流体中に生じている圧力差を測定する方法、
などが採られている。
また、文献に記載された方法としては、
▲３▼受圧板が受けた水圧を流れに沿って設置した光ファイバの歪みに変換し、この歪みを光ファイバ歪み計測装置により検出する特許文献１の方法、
▲４▼流体の流れにより回転する風杯式回転子の１回転毎にパルス状に光ファイバ歪みセンサに歪みを与え、そのパルスの時間当たりの回数から流速を求める特許文献２の方法、
などがある。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２０２１６３号公報
【特許文献２】
特開２００１−１９４３７８号公報
また、流速測定の分野ではないが、本発明における変量変換の技術に先行する文献として特許文献３がある。
【０００５】
【特許文献３】
特開２００１−３３３２５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、洪水時には河川が濁流となるため、ＣＣＴＶカメラによる監視や目視による確認では河床の洗掘状況について確認することができないし、悪天候（特に降雨、霧による視界不良）での上記▲１▼による流速測定は困難である。また、上記▲２▼の方法は、濁流中の異物が邪魔になり正確な観測が困難である。▲３▼の特許文献１の方法は、受圧板の向きが固定であるため、洪水時などに流向が変動しているとき、不正確である。▲４▼の特許文献２の方法は、異物が風杯式回転子に絡むなどして測定を妨げることが考えられる。
【０００７】
このように、従来の技術では、洗掘が発生しそうな場所の流速を天候や河川状況に左右されずに測定することができない。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、天候や河川状況に左右されず流速が測定できる光ファイバ流速センサを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、被測定流体中に筐体を設置し、その筐体の起立した表面の複数箇所にダイヤフラムを張設すると共に、この筐体内に前記ダイヤフラムと同数のブルドン管を収容し、それぞれのダイヤフラムの内側と対応するブルドン管の入口との間を繋ぐ閉じたオイル室を形成し、それぞれのブルドン管の先端と基端との間隙にファイバブラッググレーティングからなる伸縮センサを差し渡して取り付けたものである。
【００１０】
前記複数の伸縮センサをひとつながりの光ファイバ中に形成してもよい。
【００１１】
前記複数のダイヤフラムのうち少なくともひとつのダイヤフラムを別のダイヤフラムと９０°異なる方向に臨ませてもよい。
【００１２】
前記筐体を流体床に固定設置される基礎筐体の上部に載せて左右に回動自在に軸承させると共に、前記筐体には横向きに突出したヒレを形成してもよい。
【００１３】
前記筐体の上部に該筐体内と連通して光ファイバを収容する上部筐体を載せ、この上部筐体に測定用光を該筐体外から入出力する光ファイバケーブルを導入する光ファイバケーブル導入部を設けると共に、前記光ファイバケーブル内には該上部筐体内へ通じる空気通路を形成してもよい。
【００１４】
光ファイバケーブルを介して前記複数の伸縮センサにそれぞれ測定用光を供給する光源と、各伸縮センサからの反射光の波長を測定する波長測定器と、流体圧と反射光の波長変化との関係を予め定めた関係式により、各波長における反射光の波長変化から各ダイヤフラムにかかる流体圧を計算し、ダイヤフラム間の流体圧差から流速を求める演算部とからなる測定装置を地上に設けてもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１６】
図１に示されるように、本発明に係る光ファイバ流速センサを用いた河川用の流速測定システムは、水中に設置された光ファイバ流速センサ１と、地上に設置された測定装置２と、測定装置２と光ファイバ流速センサ１とを接続し、測定用光を導くと共に圧力調整用空気を導く光ファイバケーブル３と、地上に設置された大気圧平衡装置４とからなる。図２に、光ファイバ流速センサ１の内部を示す。以下、図１と図２を参照して説明する。
【００１７】
光ファイバ流速センサ１は、全体的には略円筒状を呈し、使用時には起立させて設置される。光ファイバ流速センサ１は、設置時に下になる方から順に、河床に固定される基礎筐体５と、その基礎筐体５に軸承されて回動自在な筐体（以下、回転筒と呼ぶ）６と、光ファイバケーブル３が接続されている上部筐体（以下、静止筒と呼ぶ）７とに分割形成されている。
【００１８】
回転筒６には、横向きに突出したヒレ８が形成されている。このヒレ８が水流に従って下流に向くよう回転筒６が回動するので、回転筒６は、ヒレ８のある側を後面、後面の反対側を前面、後面と前面との中間を横面と呼ぶことにする。図１は、横面を正面に見たものである。
【００１９】
回転筒６の胴部表面には複数のダイヤフラム９が張設されている。ここでは、回転筒６の前面と前面から９０°（上から見た円周角で９０°）ずれた横面との２箇所に配置されているものとする。前面のダイヤフラム９は常に水流に対向し、横面のダイヤフラム９は常に水流と平行になる。回転筒６内には、ブルドン管、オイル室、ファイバブラッググレーティング（以下、ＦＢＧと呼ぶ）からなる伸縮センサなどが収容されるが、詳細は後に説明する。
【００２０】
基礎筐体５は、円柱の下端を下向きに尖った円錐状に形成したもので、河床に打ち込んで固定する形態となっている。護岸や橋脚などに固定する場合には、円柱の下端や側面にボルト止め用のフランジを形成するとよい。
【００２１】
静止筒７は、回転筒６に軸承されており、回転筒６が回動しても静止又は少しの回動しかしない。静止筒７の上部（側部又は頂部）には、光ファイバケーブル３を導入する光ファイバケーブル導入部１１が形成されている。静止筒７の上部は、水面上に露出することも、水中に没することもあるので、光ファイバケーブル導入部１１の周囲は光ファイバケーブル３と共にゴムチューブ１２で覆われている。
【００２２】
測定装置２（詳細は図示せず）は、光ファイバケーブル３を介して各伸縮センサに測定用光を供給する光源と、各伸縮センサからの反射光の波長λ１，λ２を測定する波長測定器と、流体圧と反射光の波長変化との関係を予め定めた関係式により、各波長における反射光の波長変化から各ダイヤフラムにかかる流体圧を計算し、ダイヤフラム間の流体圧差から流速を求める演算部とからなる。演算部は、パソコンで実現することができる。光源及び波長測定器は、従来より知られているＦＢＧ型の光ファイバ歪み計測装置を構成するものであるから、説明は省略する。
【００２３】
光ファイバケーブル３（詳細は図示せず）は、光ファイバと構造保護材とを水密外装内に収容してなるケーブルである。構造保護材には長手方向に溝状或いは管状の空気通路が形成されている。
【００２４】
大気圧平衡装置４（詳細は図示せず）は、光ファイバケーブル３の空気通路を介して静止筒７内及び回転筒６内を加圧又は減圧するものである。
【００２５】
次に、光ファイバ流速センサの詳細構造を図２及び図３により説明する。
【００２６】
図２に示されるように、基礎筐体５は、円錐状の下端部を有する円柱からなり、上端には回転筒６を軸承するための下部軸受け部２１が形成されている。下部軸受け部２１は、後述する回転筒６の凸部が挿入される凹部２２を形成し、その凹部２２の周囲にベアリング２３を施したものである。この軸受け部２１に嵌合するべく回転筒６の下端には回転軸としての凸部２４が形成されている。
【００２７】
回転筒６は、凸部２４と同軸な中空の円筒２５からなり、凸部２４に繋がる円筒２５下端にはひとまわり径を大きくした下フランジ２６が形成されている。円筒２５の上部にも同様の上フランジ２７が形成されていると共に、この上フランジ２７より上では径が狭くなり、上端は開口されている。その開口部２８は、静止筒７を軸承するための上部軸受け部となっており、開口部２８の内周にベアリング２９が施されている。
【００２８】
回転筒６の胴部である円筒２５の上下フランジ２６，２７間には、図３に詳しく示すように、ダイヤフラム９を張設するための窓３０と、その窓３０を内側から覆う内壁３１と、ダイヤフラム９の内側に連通するために内壁３１に開設された小窓３２とが設けられ、この窓３０を覆うようにダイヤフラム９が張設されていると共に、そのダイヤフラム９の外縁を窓３０の内縁に接合した接合部分は水密封止されている。ダイヤフラム９の外方にはダイヤフラム９を異物から保護するための保護網３３が窓３０を覆うように設けられている。図示したダイヤフラム９は、前面のダイヤフラム９である。前面のダイヤフラム９と同様に横面のダイヤフラム９も紙面手前方向に臨んで設けられるが、図を簡素にするため省略してある。紙面左手の上流から来た水流は、保護網３３を抜けてダイヤフラム９に当たるか、フランジ２６，２７と保護網３３との隙間を抜けてダイヤフラム９に当たり、回転筒６の表面に沿って流れ、横面のダイヤフラム９の面と平行に通過して後面に回り込み、ヒレ８に沿って下流に流れることになる。
【００２９】
回転筒６の胴部には前述したヒレ８が設けられている。ヒレ８は、回転筒６の回転軸に平行に起立し、回転筒６径方向に延びた略矩形の板である。ヒレ８の形状は、図示のものに限定されず、回転筒６の左右（紙面手前と奥）を流れてきた流体の圧力を均等かつ効率良く受けて水流に忠実に従って下流に向くものであればよい。
【００３０】
図２に示されるように、静止筒７は、静止筒７の上部から回転筒６の上フランジ２７近傍まで延びて円筒状の外観を呈する外筒１３と、その外筒１３に囲まれた中空の内筒１４とを有する。内筒１４の下端は、開口されており、回転筒６の開口部２８に嵌め込まれている。これにより、回転筒６の内部空間と静止筒７の内筒の内部空間とが連通していると共に、ベアリング２９を介して静止筒７が回転筒６と相対的に回動自在となっている。外筒１３と内筒１４との間には、回転筒６の上部の外周に下端を水密固定し、内筒１４の上部の外周に上端を水密固定したフレキシブルチューブ１５が挿入されている。フレキシブルチューブ１５は、静止筒７と回転筒６との相対的な回動を柔軟に許容しつつ静止筒７と回転筒６との接合部分への浸水を防止するためのもので、例えば、ゴムチューブである。外筒１３は、このフレキシブルチューブ１５を保護する働きをする。
【００３１】
静止筒７の上部には前述した光ファイバケーブル導入部１１が形成されており、光ファイバケーブル導入部１１の周囲がゴムチューブ１２で覆われて静止筒７内への浸水が防止されている。
【００３２】
ここまでに述べた構造により、光ファイバ流速センサ１は、河床に打ち込んで水中に起立した状態に固定することができ、ヒレ８の働きで回転筒６は常に水流に対して同じ向きを維持し、前面のダイヤフラム９は常に水流に対向し、横面のダイヤフラム９は常に水流と平行になることが分かる。
【００３３】
さて、回転筒６の内部には、図３に示されるように、ブルドン管４１、オイル室４２、伸縮センサ４３が収容されている。
【００３４】
ブルドン管４１は、公知の通り、湾曲した偏平管４４の先端４５を閉じ、基端４６を入口４７としたもので、入口４７に加わる内部流体圧に応じて湾曲の度合いが変るために先端が変位する。
【００３５】
オイル室４２は、窓３０の内壁３１に開設された小窓３２に一端が連結され、他端がブルドン管４１の入口４７に連結された閉じた空間を形成するものである。これにより、ダイヤフラム９と窓３０とに囲まれた空間とオイル室４２内空間とブルドン管４１内空間とが連通し、ダイヤフラム９の内側からブルドン管４１の先端４５までの全体で閉じた空間となっている。この閉じた空間には、内部流体としてオイル４８を充填する。
【００３６】
伸縮センサ４３は、光ファイバ４９の中に形成されたＦＢＧからなる。この伸縮センサ４３をブルドン管４１の先端４５と基端４６との間に取り付けるとブルドン管４１の内部流体圧を反射波長のシフト量として検出できることは特許文献３に記載された通りである。伸縮センサ４３の固定方法も特許文献３の記載に準ずる。
【００３７】
図示は省略したが、横面のダイヤフラム９に関わるブルドン管４１、オイル室４２、伸縮センサ４３も図３と同様の構成となっている。
【００３８】
光ファイバ４９は、その長手方向中に、前面のダイヤフラム９に関わる伸縮センサ４３と横面のダイヤフラム９に関わる伸縮センサ４３とを形成したものである。光ファイバ４９は、回転筒６内から静止筒７へ延出され、両端が光ファイバケーブル３から取り出した光ファイバ５０と光ファイバ接続部５１において接続されている。光ファイバ接続部５１は、伸縮センサ４３となるＦＢＧを途中に形成するに好適な光ファイバ４９と光ファイバケーブル３に用いる堅牢な光ファイバ５０との構造（被覆厚など）の相違を考慮して構成されている。
【００３９】
光ファイバケーブル導入部１１から静止筒７内に光ファイバケーブル３が引き込まれており、その光ファイバケーブル３の端末を剥いて光ファイバ５０が取り出されている。これにより、光ファイバケーブル３内の空気通路は、静止筒７内に連通している。従って、図１の大気圧平衡装置４から空気を吸排することで、静止筒７内及び回転筒６内を加圧又は減圧することができる。回転筒６内の圧力は、大気圧、或いは回転筒６の水深を考慮した圧力、或いは大気圧や水深に関係なく一定圧などに設定する。回転筒６内の圧力が調整されることで、ブルドン管４１の周囲圧力が所望に設定できるので、ブルドン管４１内の圧力変化に対する先端４５の変位量を較正することができる。
【００４０】
次に、図１の流速測定システムにおける流速測定の動作を説明する。
【００４１】
既に述べたように、光ファイバ流速センサ１を河床に打ち込んで水中に起立させると、ヒレ８の働きで回転筒６が回動し、洪水時の濁流によって流向が変動しても常に前面のダイヤフラム９は水流に対向し、横面のダイヤフラムは常に水流と平行になる。
【００４２】
このとき、前面のダイヤフラム９に加わる圧力をＰ１、横面のダイヤフラム９に加わる圧力をＰ２とする。これらの圧力Ｐ１，Ｐ２は流速に応じて変化する。圧力を受けたそれぞれのダイヤフラム９は変形する。この変形に応じてオイル室４２などのオイル４８は圧力が変化し、この圧力はブルドン管４１の先端４５にも及ぶ。これにより、ブルドン管４１は、先端４５基端４６間のギャップが伸縮する。
【００４３】
伸縮センサ４３が伸縮すると、これらの伸縮センサ４３には測定装置２内の光源より測定用光が供給されているので、公知のＦＢＧの動作原理により、歪み量に応じた反射波長の変化が生じる。反射変化量は測定装置２内の波長測定器により測定することができる。測定装置２内の演算部では、この波長変化量から伸縮センサ４３の歪み量を求め、その伸縮歪み量をダイヤフラム９の変形量に換算し、さらにダイヤフラム９が水流から受けた流体圧に換算する。もちろん、これらの計算を逐一行うのでなく、流体圧と反射光の波長変化との関係を定めた関係式又は換算表を用意しておけば、計算は簡単である。即ち、各伸縮センサ４３からの反射光の波長λ１，λ２を測定すれば、前面・横面のダイヤフラムに加わる圧力Ｐ１，Ｐ２を得ることができる。
【００４４】
なお、波長変化量及び歪み量とは、予め大気圧又は所定の既知水圧をダイヤフラムに印加したときの反射光の波長及び歪み量を基準にしたものである。
【００４５】
演算部は、圧力Ｐ１，Ｐ２から水流による圧力（静水圧などを除いた水流の強さに起因した圧力成分）を計算する。即ち、Ｐ１−Ｐ２＝Ｐ３が水流による圧力である。次いで、演算部は、水流による圧力Ｐ３から流速Ｖを計算する。その演算式は、流速Ｖ＝√（２Ｐ３）である。この流速Ｖは、測定装置２の図示しない表示部に表示される。
【００４６】
以上説明したように、本発明によれば、ダイヤフラム９の受圧を伸縮センサ４３の歪みとして遠隔より光学的に測定して流速を求めるので、水上からの目視観測のように天候に左右されることがなく、現場に人が行かなくてもよく、しかも、常時、測定を続けることができる。
【００４７】
また、特許文献１では、受圧板が受けた前面圧（本発明でＰ１に相当）だけから流速を計測しているのに対し、本発明では複数のダイヤフラム９、オイル室４２、ブルドン管４１、伸縮センサ４３を有するので、横面圧Ｐ２なども考慮して流速を計測することができる。そして、筐体を回動自在としヒレを形成したことにより、常に上流に前面を向けるので正確な流速を計測することができる。
【００４８】
上記の実施形態では、光ファイバ流速センサ１を１つだけ示したが、複数箇所に設置してもよい。
【００４９】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００５０】
（１）天候や河川状況に左右されず流速が測定できる。
【００５１】
（２）流速が正確に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す河川用の流速測定システムの構成図である。
【図２】本発明の一実施形態を示す光ファイバ流速センサの内部構造図である。
【図３】図２の光ファイバ流速センサの回転筒部分の詳細図である。
【符号の説明】
１ 光ファイバ流速センサ
２ 測定装置
３ 光ファイバケーブル
４ 大気圧平衡装置
５ 基礎筐体
６ 筐体（回転筒）
７ 上部筐体（静止筒）
８ ヒレ
９ ダイヤフラム
１１ 光ファイバケーブル導入部
４１ ブルドン管
４２ オイル室
４３ 伸縮センサ
４９ 光ファイバ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a flow rate sensor for measuring a flow rate of a fluid, particularly a flow rate in a river, and more particularly to an optical fiber flow rate sensor capable of measuring a flow rate without being affected by weather or river conditions.
[0002]
[Prior art]
Breakwaters that occur during floods caused by typhoons or heavy rain often cause flooding and infiltration in slow-flowing rivers. In many cases, destruction occurs from the ground, leading to a levee. During floods, the piers of road bridges may be sloping or sinking due to scouring of the surrounding riverbed.
[0003]
For this reason, in order to maintain river management facilities such as embankments and bridges at the time of flooding due to typhoons and heavy rain, monitoring with CCTV cameras and visual confirmation by direct patrol of the site are performed. However, in order to anticipate scouring in the above situation, it is important to observe and grasp the flow velocity of the river at any time.
(1) a method of measuring the speed of a mark moving with a fluid,
(2) A method for measuring a pressure difference generated in a fluid with a pitot tube, an orifice plate, a venturi tube, etc.
And so on.
Also, as described in the literature,
(3) The method of Patent Document 1 in which the water pressure received by the pressure receiving plate is converted into distortion of an optical fiber installed along the flow, and this distortion is detected by an optical fiber distortion measuring device.
{Circle around (4)} A method according to Patent Document 2 in which a pulse is applied to the optical fiber strain sensor for each rotation of the cup-type rotor rotated by the flow of fluid, and the flow rate is obtained from the number of pulses per time;
and so on.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2002-202163 A [Patent Document 2]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-194378 Also, although not in the field of flow velocity measurement, Patent Document 3 is a document that precedes the technique of variable conversion in the present invention.
[0005]
[Patent Document 3]
JP 2001-33325 A
[Problems to be solved by the invention]
However, the river becomes muddy at the time of the flood, so it is not possible to check the scouring status of the riverbed by monitoring with a CCTV camera or checking it visually, and the above-mentioned (1) in bad weather (particularly poor visibility due to rainfall and fog) Flow velocity measurement is difficult. In the above method (2), foreign matters in the turbid flow are in the way, and accurate observation is difficult. In the method of Patent Document 1 of (3), since the direction of the pressure receiving plate is fixed, it is inaccurate when the flow direction fluctuates during a flood or the like. In the method of Patent Document 2 of (4), it is conceivable that a foreign substance may be entangled in the cup-shaped rotor or the like, thereby hindering measurement.
[0007]
As described above, according to the conventional technology, it is impossible to measure the flow velocity in a place where scouring is likely to occur without being influenced by weather or river conditions.
[0008]
Then, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problem and to provide an optical fiber flow velocity sensor capable of measuring a flow velocity without being affected by weather or river conditions.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a case in which a casing is installed in a fluid to be measured, diaphragms are stretched at a plurality of locations on an upright surface of the casing, and the same number of diaphragms as the number of the diaphragms are provided in the casing. A telescopic sensor consisting of a fiber Bragg grating that accommodates the pipes, forms a closed oil chamber that connects between the inside of each diaphragm and the corresponding bourdon pipe inlet, and the gap between the tip and base end of each bourdon pipe Is attached.
[0010]
The plurality of extension sensors may be formed in a series of optical fibers.
[0011]
At least one diaphragm of the plurality of diaphragms may face in a direction different from another diaphragm by 90 °.
[0012]
The housing may be mounted on an upper part of a base housing fixedly installed on a fluid floor and rotatably supported left and right, and the housing may be formed with a fin projecting sideways.
[0013]
An optical fiber cable introduction for mounting an upper housing for housing an optical fiber in communication with the inside of the housing on the upper portion of the housing and for introducing an optical fiber cable for inputting and outputting measurement light from outside the housing to the upper housing. And an air passage leading into the upper housing may be formed in the optical fiber cable.
[0014]
A light source that supplies measurement light to each of the plurality of expansion and contraction sensors via an optical fiber cable, a wavelength measuring device that measures the wavelength of light reflected from each of the expansion and contraction sensors, and a relationship between fluid pressure and a change in the wavelength of the reflected light. May be provided on the ground by calculating a fluid pressure applied to each diaphragm from a wavelength change of reflected light at each wavelength by a predetermined relational expression, and an arithmetic unit for calculating a flow velocity from a fluid pressure difference between the diaphragms. .
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0016]
As shown in FIG. 1, a flow velocity measuring system for a river using an optical fiber velocity sensor according to the present invention includes an optical fiber velocity sensor 1 installed underwater, a measuring device 2 installed on the ground, The apparatus 2 is connected to the optical fiber flow rate sensor 1 and includes an optical fiber cable 3 for guiding measurement light and air for adjusting pressure, and an atmospheric pressure equilibrium device 4 installed on the ground. FIG. 2 shows the inside of the optical fiber flow rate sensor 1. Hereinafter, description will be made with reference to FIGS.
[0017]
The optical fiber flow rate sensor 1 has a substantially cylindrical shape as a whole, and is set up when used. The optical fiber flow rate sensor 1 includes, in order from the bottom at the time of installation, a base housing 5 fixed to a riverbed, and a housing rotatably supported by the base housing 5 and rotatable (hereinafter referred to as a rotating cylinder). 6 and an upper housing (hereinafter referred to as a stationary cylinder) 7 to which the optical fiber cable 3 is connected.
[0018]
A fin 8 protruding laterally is formed in the rotary cylinder 6. Since the rotating cylinder 6 rotates so that the fin 8 is directed downstream according to the water flow, the rotating cylinder 6 is referred to as a rear surface on the side of the fin 8, a front surface on the opposite side of the rear surface, and a lateral surface between the rear surface and the front surface. I will. FIG. 1 is a view in which a lateral surface is viewed from the front.
[0019]
A plurality of diaphragms 9 are stretched on the body surface of the rotary cylinder 6. Here, it is assumed that the rotary cylinder 6 is disposed at two places: a front face and a lateral face shifted from the front face by 90 ° (circular angle as viewed from above by 90 °). The front diaphragm 9 always faces the water flow, while the lateral diaphragm 9 is always parallel to the water flow. The rotary cylinder 6 accommodates a telescopic sensor including a Bourdon tube, an oil chamber, and a fiber Bragg grating (hereinafter, referred to as FBG), which will be described later in detail.
[0020]
The basic housing 5 is formed by shaping the lower end of a cylinder into a conical shape with a downward sharp point, and is configured to be driven into a riverbed and fixed. When fixing to a revetment, a pier, etc., it is good to form a flange for bolting at the lower end and the side of a cylinder.
[0021]
The stationary cylinder 7 is supported by the rotating cylinder 6, so that even when the rotating cylinder 6 rotates, the stationary cylinder 7 is still or slightly rotated. An optical fiber cable introduction section 11 for introducing the optical fiber cable 3 is formed at an upper portion (side or top) of the stationary cylinder 7. Since the upper part of the stationary cylinder 7 may be exposed on the water surface or immersed in the water, the periphery of the optical fiber cable introduction part 11 is covered with the rubber tube 12 together with the optical fiber cable 3.
[0022]
The measuring device 2 (details not shown) includes a light source that supplies measurement light to each of the expansion and contraction sensors via the optical fiber cable 3 and a wavelength measurement device that measures the wavelengths λ1 and λ2 of the reflected light from each of the expansion and contraction sensors. Calculation of the fluid pressure applied to each diaphragm from the change in the wavelength of the reflected light at each wavelength using a relational expression in which the relationship between the fluid pressure and the change in the wavelength of the reflected light is determined in advance, and the calculation of the flow velocity from the fluid pressure difference between the diaphragms Department. The calculation unit can be realized by a personal computer. Since the light source and the wavelength measuring device constitute a conventionally known FBG type optical fiber strain measuring device, the description is omitted.
[0023]
The optical fiber cable 3 (details not shown) is a cable in which an optical fiber and a structural protection material are housed in a watertight outer casing. A groove-like or tubular air passage is formed in the structural protection material in the longitudinal direction.
[0024]
The atmospheric pressure equilibrium device 4 (details not shown) pressurizes or depressurizes the inside of the stationary cylinder 7 and the inside of the rotary cylinder 6 through the air passage of the optical fiber cable 3.
[0025]
Next, the detailed structure of the optical fiber flow rate sensor will be described with reference to FIGS.
[0026]
As shown in FIG. 2, the basic housing 5 is formed of a column having a conical lower end, and a lower bearing 21 for bearing the rotary cylinder 6 is formed at the upper end. The lower bearing portion 21 has a concave portion 22 into which a convex portion of the rotary cylinder 6 described later is inserted, and a bearing 23 is provided around the concave portion 22. A projection 24 is formed at the lower end of the rotary cylinder 6 as a rotary shaft so as to fit into the bearing 21.
[0027]
The rotating cylinder 6 is formed of a hollow cylinder 25 coaxial with the projection 24, and a lower flange 26 having a larger diameter is formed at the lower end of the cylinder 25 connected to the projection 24. A similar upper flange 27 is also formed on the upper part of the cylinder 25, and the diameter becomes smaller above the upper flange 27, and the upper end is opened. The opening 28 serves as an upper bearing for bearing the stationary cylinder 7, and a bearing 29 is provided on the inner periphery of the opening 28.
[0028]
As shown in detail in FIG. 3, a window 30 for extending the diaphragm 9 and an inner wall 31 that covers the window 30 from the inside are provided between the upper and lower flanges 26 and 27 of the cylinder 25 which is the body of the rotary cylinder 6. A small window 32 is provided on the inner wall 31 to communicate with the inside of the diaphragm 9. The diaphragm 9 is stretched so as to cover the window 30, and the outer edge of the diaphragm 9 is The joint part joined to the inner edge is watertightly sealed. Outside the diaphragm 9, a protection net 33 for protecting the diaphragm 9 from foreign substances is provided so as to cover the window 30. The illustrated diaphragm 9 is the front diaphragm 9. Like the diaphragm 9 on the front side, the diaphragm 9 on the lateral side is also provided facing the front side of the drawing, but is omitted to simplify the drawing. The water flow coming from the upper stream on the left hand side of the drawing sheet passes through the protection net 33 and hits the diaphragm 9, or passes through the gap between the flanges 26 and 27 and the protection net 33, hits the diaphragm 9, flows along the surface of the rotary cylinder 6, and flows sideways. It passes parallel to the surface of the diaphragm 9 and turns around to the rear surface, and flows downstream along the fin 8.
[0029]
The above-mentioned fin 8 is provided on the body of the rotary cylinder 6. The fin 8 is a substantially rectangular plate that stands upright in parallel with the rotation axis of the rotary cylinder 6 and extends in the radial direction of the rotary cylinder 6. The shape of the fin 8 is not limited to the shape shown in the figure, and any shape may be used as long as it receives the pressure of the fluid flowing on the left and right sides (front and back of the paper) of the rotary cylinder 6 uniformly and efficiently, and follows the water flow faithfully. Good.
[0030]
As shown in FIG. 2, the stationary cylinder 7 extends from the upper part of the stationary cylinder 7 to the vicinity of the upper flange 27 of the rotating cylinder 6 and has a cylindrical appearance, and a hollow surrounded by the outer cylinder 13. And the inner cylinder 14. The lower end of the inner cylinder 14 is open, and is fitted into the opening 28 of the rotating cylinder 6. Thereby, the internal space of the rotating cylinder 6 and the internal space of the inner cylinder of the stationary cylinder 7 communicate with each other, and the stationary cylinder 7 is rotatable relative to the rotating cylinder 6 via the bearing 29. . Between the outer cylinder 13 and the inner cylinder 14, a flexible tube 15 whose lower end is watertightly fixed on the outer periphery of the upper part of the rotating cylinder 6 and whose upper end is watertightly fixed on the outer periphery of the upper part of the inner cylinder 14 is inserted. The flexible tube 15 is used to flexibly allow relative rotation between the stationary cylinder 7 and the rotating cylinder 6 and to prevent water from entering into a joint portion between the stationary cylinder 7 and the rotating cylinder 6. It is a tube. The outer cylinder 13 functions to protect the flexible tube 15.
[0031]
The above-described optical fiber cable introduction section 11 is formed on the upper portion of the stationary cylinder 7, and the periphery of the optical fiber cable introduction section 11 is covered with a rubber tube 12 to prevent water from entering the stationary cylinder 7.
[0032]
With the structure described so far, the optical fiber flow velocity sensor 1 can be driven into the riverbed and fixed in a standing state in the water, and the fin 8 keeps the rotary cylinder 6 always in the same direction with respect to the water flow. It can be seen that the front diaphragm 9 always faces the water flow, and the lateral diaphragm 9 is always parallel to the water flow.
[0033]
As shown in FIG. 3, a bourdon tube 41, an oil chamber 42, and an expansion / contraction sensor 43 are housed inside the rotary cylinder 6.
[0034]
As is well known, the Bourdon tube 41 closes the distal end 45 of the curved flat tube 44 and uses the proximal end 46 as the inlet 47. The distal end of the Bourdon tube 41 changes in accordance with the internal fluid pressure applied to the inlet 47. Displace.
[0035]
The oil chamber 42 forms a closed space in which one end is connected to the small window 32 opened on the inner wall 31 of the window 30 and the other end is connected to the entrance 47 of the Bourdon tube 41. Thereby, the space surrounded by the diaphragm 9 and the window 30 communicates with the space in the oil chamber 42 and the space in the Bourdon tube 41, and the entire space from the inside of the diaphragm 9 to the tip 45 of the Bourdon tube 41 is closed. Has become. This closed space is filled with oil 48 as an internal fluid.
[0036]
The expansion / contraction sensor 43 is made of FBG formed in the optical fiber 49. As described in Patent Document 3, it is possible to detect the internal fluid pressure of the Bourdon tube 41 as a shift amount of the reflection wavelength by mounting the expansion / contraction sensor 43 between the distal end 45 and the base end 46 of the Bourdon tube 41. The method of fixing the extension sensor 43 also conforms to the description in Patent Document 3.
[0037]
Although not shown, the Bourdon tube 41, the oil chamber 42, and the expansion / contraction sensor 43 relating to the diaphragm 9 on the side have the same configuration as that of FIG.
[0038]
The optical fiber 49 has an extension sensor 43 relating to the diaphragm 9 on the front surface and an extension sensor 43 relating to the diaphragm 9 on the lateral surface formed in the longitudinal direction. The optical fiber 49 extends from the inside of the rotating cylinder 6 to the stationary cylinder 7, and both ends are connected to an optical fiber 50 taken out of the optical fiber cable 3 at an optical fiber connecting portion 51. The optical fiber connecting portion 51 takes into consideration the difference in the structure (such as coating thickness) between the optical fiber 49 suitable for forming the FBG serving as the expansion / contraction sensor 43 and the robust optical fiber 50 used for the optical fiber cable 3. It is configured.
[0039]
The optical fiber cable 3 is drawn into the stationary cylinder 7 from the optical fiber cable introduction section 11, and the end of the optical fiber cable 3 is peeled off, and the optical fiber 50 is taken out. Thereby, the air passage in the optical fiber cable 3 communicates with the inside of the stationary cylinder 7. Therefore, by sucking and discharging air from the atmospheric pressure equilibrium device 4 in FIG. 1, the inside of the stationary cylinder 7 and the inside of the rotating cylinder 6 can be pressurized or depressurized. The pressure in the rotating cylinder 6 is set to the atmospheric pressure, a pressure in consideration of the water depth of the rotating cylinder 6, or a constant pressure regardless of the atmospheric pressure or the water depth. By adjusting the pressure in the rotating cylinder 6, the surrounding pressure of the Bourdon tube 41 can be set as desired, so that the displacement amount of the tip 45 with respect to the pressure change in the Bourdon tube 41 can be calibrated.
[0040]
Next, the operation of the flow velocity measurement in the flow velocity measurement system of FIG. 1 will be described.
[0041]
As described above, when the optical fiber flow velocity sensor 1 is driven into the riverbed and rises in the water, the rotating cylinder 6 is rotated by the action of the fins 8 and the flow direction fluctuates due to the turbulent flow during the flood. Numeral 9 faces the water flow, and the diaphragm on the lateral surface is always parallel to the water flow.
[0042]
At this time, the pressure applied to the front-side diaphragm 9 is P1, and the pressure applied to the horizontal-side diaphragm 9 is P2. These pressures P1 and P2 change according to the flow velocity. Each of the diaphragms 9 under pressure deforms. The pressure of the oil 48 such as the oil chamber 42 changes in accordance with the deformation, and the pressure also reaches the tip 45 of the Bourdon tube 41. As a result, the gap between the distal end 45 and the proximal end 46 of the Bourdon tube 41 expands and contracts.
[0043]
When the expansion and contraction sensors 43 expand and contract, the measuring light is supplied from the light source in the measuring device 2 to these expansion and contraction sensors 43, so that the reflection wavelength changes according to the amount of distortion due to the known FBG operation principle. . The amount of change in reflection can be measured by a wavelength measuring device in the measuring device 2. The calculation unit in the measuring device 2 calculates the amount of distortion of the expansion / contraction sensor 43 from the amount of change in wavelength, converts the amount of expansion / contraction to the amount of deformation of the diaphragm 9, and further converts the amount of deformation to the fluid pressure received by the diaphragm 9 from the water flow. . Of course, the calculation is easy if a relational expression or a conversion table that defines the relationship between the fluid pressure and the wavelength change of the reflected light is prepared instead of performing these calculations one by one. That is, by measuring the wavelengths λ1 and λ2 of the reflected light from the expansion / contraction sensors 43, the pressures P1 and P2 applied to the front and side diaphragms can be obtained.
[0044]
Note that the wavelength change amount and the strain amount are based on the wavelength and the strain amount of the reflected light when an atmospheric pressure or a predetermined known water pressure is applied to the diaphragm in advance.
[0045]
The calculation unit calculates the pressure due to the water flow (the pressure component due to the strength of the water flow excluding the hydrostatic pressure or the like) from the pressures P1 and P2. That is, P1-P2 = P3 is the pressure due to the water flow. Next, the calculation unit calculates the flow velocity V from the pressure P3 due to the water flow. The calculation formula is the flow velocity V = √ (2P3). The flow velocity V is displayed on a display unit (not shown) of the measuring device 2.
[0046]
As described above, according to the present invention, since the pressure received by the diaphragm 9 is optically remotely measured as the strain of the expansion / contraction sensor 43 to obtain the flow velocity, the flow rate is affected by the weather like visual observation from the water. Therefore, there is no need for a person to go to the site, and the measurement can be continued at all times.
[0047]
Further, in Patent Literature 1, the flow velocity is measured only from the front pressure received by the pressure receiving plate (corresponding to P1 in the present invention). With the expansion / contraction sensor 43, the flow velocity can be measured in consideration of the lateral pressure P2 and the like. Since the housing is rotatable and the fin is formed, the front surface is always directed upstream, so that an accurate flow velocity can be measured.
[0048]
In the above embodiment, only one optical fiber flow rate sensor 1 is shown, but it may be installed at a plurality of locations.
[0049]
【The invention's effect】
The present invention exhibits the following excellent effects.
[0050]
(1) The flow velocity can be measured without being affected by the weather or river conditions.
[0051]
(2) The flow velocity can be measured accurately.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a river flow velocity measuring system showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an internal structural view of an optical fiber flow rate sensor showing one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a detailed view of a rotating cylinder portion of the optical fiber flow sensor of FIG. 2;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical fiber flow velocity sensor 2 Measuring device 3 Optical fiber cable 4 Atmospheric pressure equilibrium device 5 Basic housing 6 Housing (rotary cylinder)
7 Upper case (stationary cylinder)
8 Fin 9 Diaphragm 11 Optical fiber cable introduction part 41 Bourdon tube 42 Oil chamber 43 Expansion / contraction sensor 49 Optical fiber
