JP2005017050A

JP2005017050A - 水晶圧力センサとそれを用いた水位計

Info

Publication number: JP2005017050A
Application number: JP2003180369A
Authority: JP
Inventors: Jun Watanabe; 潤渡辺
Original assignee: Toyo Communication Equipment Co Ltd
Current assignee: Toyo Communication Equipment Co Ltd
Priority date: 2003-06-25
Filing date: 2003-06-25
Publication date: 2005-01-20

Abstract

【課題】水中の圧力センサにまで電源ケーブルを敷設する従来の水位計では、落雷の誘導電流によってセンサが破損することがある。
【解決手段】水中の水晶圧力センサ１０にまで光ケーブル１７ａ、１７ｂを敷設してパルス変調光を入力し、水晶圧力センサ１０の双音叉振動子１４の振動ビーム部に固定された反射ミラー１５ｃの振動によって位相にずれを生じた出力光を取り出し、入力光と出力光との位相差を検出することによって水位を検知することができる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力センサに関し、特に双音叉振動子を圧力−電気信号変換素子とする水晶圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ダムや河川の水位の観測には、堰堤等に設けられた水位標に施された目盛から、直接その水位を読み取る方法のほかに、圧力によって生ずるベローズの変位を力に変換し、その力を電気的に検出する圧力センサを用いて水圧を検出し、この水圧より水位を算出する方法がある。
図４は、従来の受圧部にベローズを用いた水晶圧力センサの構成例を示す模式図である。
同図に示すように、本水晶圧力センサ２０は、圧力Ｐによって変位を生ずるベローズ２１と、その変位によって前記圧力を支点２２を中心にしたモーメントの力に変換する一端が前記ベローズ２１に固定された揺動アーム２３と、前記揺動アーム２３の他端に固定された双音叉振動子２４と、これらの構成部位を真空密封したケース２５と、前記ケース２５の側面に収容された発振回路２６とで構成される絶対圧センサである。
【０００３】
上記構成の水晶圧力センサの動作説明に先立って、双音叉振動子の特徴について詳細に説明する。
双音叉振動子は、屈曲振動モードを有する水晶振動素子で構成される振動子であって、屈曲振動モードを有する水晶振動子は、他の振動モード（例えば、厚みすべり振動）の振動子に比べて、加えられた力に対する共振周波数の変動率が非常に高く感圧素子として優れた特性を有するものである。
図５（ａ）は、双音叉振動子の一例を示す外観図である。同図に示すように、本双音叉振動子は、時計用の音叉振動子を２つ結合したような構造を有しており、２本の振動ビーム部３１ａ、３１ｂと、振動子を固定する固定部３２ａ、３２ｂとで構成される。そして、前記振動ビーム部３１ａ、３１ｂの振動方向（図中、ｙ方向）と直交する方向（図中、ｘ方向）から力を加えると、その共振周波数が大きく変化することは既に知られている。
引張り方向を正、圧縮方向を負とした時の力Ｆを図のｘ方向に加えたとき、力Ｆと振動子の共振周波数ｆ_Ｆとの関係は、図５（ｂ）に示されるように、力Ｆが引張りの場合には周波数が増加し、圧縮の場合には周波数は減少する。
【０００４】
図４において、上述の特性を有する双音叉振動子２４は、一端の保持部は揺動アーム２３に、他端の保持部がケースに固定されて保持され、ケース側の保持部に設けられた励振電極はケース２５を貫通する接続導体で発振回路２６に接続されて、水晶発振回路を構成している。
いま、ベローズ２１に圧力Ｐが加わると、該ベローズ２１が伸び、その変位によって揺動アーム２３に支点２２を中心にしたモーメントの力が生じ、揺動アーム２３の一端に固定された前記双音叉振動子２４に圧縮の力Ｆが加わる。その結果、図５（ｂ）に示されるように、該双音叉振動子２４の共振周波数は、力Ｆが加わる前の周波数ｆ０より低い周波数ｆ１になる。
前記ベローズ２１に加わる圧力Ｐが減少して、前記双音叉振動子２４に加わる力Ｆ１がＦ２に変化すると、該双音叉振動子２４の共振周波数は、ｆ１より高い周波数ｆ２になる。
図６は、本水晶圧力センサ２０の圧力−周波数特性の一例を示す図である。
【０００５】
本水晶圧力センサ２０を水位計として使用する場合は、水晶圧力センサ２０を所定の水位の水中に設置し、水位観測所等の施設より該本水晶圧力センサ２０までケーブルを敷設して電源（図４のＶｃｃ）を供給すると共に、発振回路２６より発振出力（図４のＯＵＴ）を取り出す。
そして、取り出した出力の発振周波数を計測し、予め用意された前記水晶圧力センサ２０の水圧−周波数特性チャートによって、計測した周波数に対応する水圧を求めて、その水圧に相当する水深より基準点からの水位を知ることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の水晶圧力センサを水位計として使用するためには、水位観測所等の施設からダムあるいは河川等の水中に設置された前記水晶圧力センサにまで電源を供給し、発振出力を取り出すケーブルを敷設しなければならない。
そして、この電源ケーブルで接続された水晶圧力センサの発振回路は、一次電源への落雷による誘導電流によって破損し、水位の計測が不可能になってしまうという問題があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、落雷による発振回路の破損を防止して、確実な水位測定が可能な水晶圧力センサを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１の発明においては、外力に応じて共振周波数が変化する振動子と、圧力を力に変換して前記振動子に伝達する受圧機構とを備え、前記振動子の共振周波数から圧力を検知する圧力センサであって、前記振動子の振動部分にミラー手段を配設するとともに、該ミラー手段にパルス変調光を照射するためのパルス変調光照射手段と、前記ミラー手段から反射したパルス変調光を受光して出力するための反射光出力手段とを備えたことを特徴とする。
請求項２の発明においては、請求項１に記載の圧力センサであって、前記振動子は、前記パルス変調光照射手段からのパルス変調光を受光した光電変換素子の起電力によって振動が励起されていることを特徴とする。
また、請求項３の発明においては、請求項１または２に記載の圧力センサであって、前記パルス変調光のパルス周期が、前記振動子の共振周波数の近傍を走査するように変化することを特徴とする。
【０００８】
請求項４の発明においては、請求項１乃至３のいずれかに記載の圧力センサであって、前記パルス変調光照射手段にパルス変調光を供給する光源と、該光源からのパルス変調光と反射光出力手段から出射したパルス変調光との位相差を検出する位相差検出手段とを設け、該位相差検出手段により検出した位相差より前記振動子の共振周波数を検知することを特徴とする。
請求項５の発明においては、請求項１乃至４のいずれかに記載の圧力センサであって、前記振動子が双音叉振動子であって、前記ミラー手段を振動ビーム部に配設したことを特徴とする。
また、請求項６の発明においては、請求項１乃至５のいずれかに記載の圧力センサであって、前記振動子は、水晶を用いて構成した水晶振動子であることを特徴とする。
さらに、請求項７の発明においては、請求項１乃至６のいずれかに記載の圧力センサを用いて構成した水位計であって、前記受圧機構が２つのベローズの差圧を前記双音叉振動子に伝達するよう構成したものであり、一方のベローズには水圧を、他方のベローズには体気圧を導入することにより水位を検知することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示した実施の形態に基づいて説明する。図１は、本発明に係わる水晶圧力センサの実施の一形態例を示す模式図である。
同図に示すように、本水晶圧力センサ１０は、大気圧に開放されたベローズ１１ａと、被測定圧力が加わるベローズ１１ｂと、前記ベローズ１１ａとベローズ１１ｂとの差の圧力によって生ずる変位を支点１２を中心にしたモーメントの力に変換する一端が前記ベローズ１１ａ、１１ｂに固定された揺動アーム１３（とを備えた受圧機構）と、前記揺動アーム１３の他端に固定された双音叉振動子１４と、前記双音叉振動子１４の振動ビーム部に構成された光位相変調部１５と、これらの構成部位を密封したケース１６と、前記ケース１６を貫通して前記光位相変調部１５に接続されたれた光ケーブル１７ａ、１７ｂとで構成されるゲージ圧センサである。
【００１０】
同図において、前記ベローズ１１ａは大気圧に開放されており、前記ベローズ１１ｂに例えば大気圧より大きい圧力Ｐが加わると、その差の圧力によって前記揺動アーム１３に支点１２を中心にしたモーメントの力が生じる。
このモーメントによって双音叉振動子１４に圧縮の力Ｆが加わると、図４ｂの説明のように、該双音叉振動子１４の共振周波数は、揺動アーム１３にモーメントの力が生じていない無負荷の時の周波数より低くなる。
【００１１】
図２は、前記光位相変調部１５の構成例を示す模式図である。
同図に示すように、前記光位相変調部１５は、ハーフミラー１５ａと、フォトセル（光電変換素子）１５ｂと、前記双音叉振動子１４の振動ビーム部の側面に固定された反射ミラー１５ｃとで構成される。
同図において、光ケーブル（パルス変調光照射手段）１７ａから入射したパルス変調された単一波長の光は、光位相変調部１５のハーフミラー１５ａに入射し、一部は該ハーフミラー１５ａを透過してフォトセル１５ｂに入力する。そして、該フォトセル１５ｂは入力光に対応したパルス状の起電力を発生し、該起電力は前記双音叉振動子１４の励振電極に供給される。
そして、この起電力は前記双音叉振動子１４の振動エネルギーとして供給されて振動が励起される。該パルス状起電力の周期と前記双音叉振動子１４の共振周波数とが一致したとき、該双音叉振動子１４の振動ビーム部の振動は最大となる。
【００１２】
一方、前記ハーフミラー１５ａに入射した光の一部は該ハーフミラー１５ａで反射し、前記双音叉振動子１４の振動ビーム部の側面に固定された反射ミラー１５ｃに入射して反射し、光ケーブル（反射光出力手段）１７ｂに入射して出力光として取り出される。
この光ケーブル１７ｂの出力光は、前記双音叉振動子１４に固定された反射ミラー１５ｃの振動による変位によって、前記光ケーブル１７ａへの入力光との間に位相差を生じる。そして、この位相差は、前記双音叉振動子１４に固定された反射ミラー１５ｃの振動が最大のとき、即ち、双音叉振動子１４の共振周波数とパルス状の入力光のパルスの周期とが一致したとき最大となる。
したがって、前記光ケーブル１７ａへの入力光のパルスの周期を、双音叉振動子１４の共振周波数近傍を走査する如く変化させ、入力光と出力光の間に位相差が最大となるときのパルス周期を計測すれば、前記前記双音叉振動子１４の共振周波数を検知することができる。
そして、予め用意された前記水晶圧力センサ１０の水圧−周波数特性チャートによって、検知した共振周波数に対応する圧力を求めることができる。
【００１３】
上述の構成の水晶圧力センサを水位計として使用する場合は、図３に示すように、本水晶圧力センサ１０を所定の水位の水中に設置し、水位観測所等の施設より該水晶圧力センサ１０まで光ケーブル１７ａ、１７ｂを敷設して前記光位相変調部１５に接続する。
水位観測所に設置したパルス変調光を発生する光源１８ａに接続した前記光ケーブル１７ａには所定の周期のパルス変調光を入力し、前記光ケーブル１７ｂより出力光を取り出す。
そして、入力光のパルス周期を変化させて、取り出した出力光と入力光との位相差が最大となるパルス周期を位相差検出器１８ｂによって検出し、予め用意された前記水晶圧力センサ１０の水圧−周波数特性チャートに基づいて水位換算器１８ｃにて検知した周波数に対応する水圧を求め、その水圧に相当する水深より基準点からの水位を知ることができる。
【００１４】
以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、例えば、実施例では２つのベローズと揺動アームを用いた差圧タイプの受圧機構を示したが、ベローズが１つの絶対圧タイプであってもよいし、ベローズに代えてダイアフロム等の他の受圧デバイスを用いた圧力センサにも本発明が適用可能であることは言うまでもない。
また、実施例では水晶を用いて構成した双音叉水晶振動子を示したが、水晶以外の圧電材料を用いてもよいし、金属製の双音叉振動子（圧電セラミックを貼付して励振）であってもよい。さらに、双音叉振動子のみならず単ビーム型の振動子など他の形状をもつ振動子に適用してもよい。
また、光源の発生するパルス変調光のパルス周期を掃引する範囲を可変できるようにしてもよい。例えば、一旦位相差最大となるパルス周期を見つけたら掃引範囲を狭くして振動子の共振周波数を追いかけるようにフィードバック制御してもよい。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、水位観測所等の施設より水中の水晶圧力センサにまで光ケーブルを敷設して、水晶圧力センサの双音叉振動子の振動ビーム部に接続し、パルス変調の単一波長光を入力して、振動ビーム部の振動によって位相にずれを生じた出力光を取り出し、入力光と出力光との位相差を検出することによって水位を検知することができる。
したがって、施設より電源ケーブルを敷設する必要がなく、落雷による圧力センサの損傷を防止でき、安全確実な水位計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる水晶圧力センサの実施の一形態例を示す模式図。
【図２】本発明に係る光位相変調部１５の構成例を示す模式図。
【図３】本発明に係わる水晶圧力センサを水位計として使用した実施例を示す模式図。
【図４】従来の受圧部にベローズを用いた水晶圧力センサの構成例を示す模式図。
【図５】（ａ）は、双音叉振動子の一例を示す外観図、（ｂ）は、（ａ）の双音叉振動子に加わる力Ｆと振動子の共振周波数ｆ_Ｆとの関係を示す図。
【図６】従来の水晶圧力センサの圧力−周波数特性の一例を示す図
【符号の説明】
１０・・水晶圧力センサ、１１ａ、１１ｂ・・ベローズ、
１２・・支点、１３・・揺動アーム、１４・・双音叉振動子、
１５・・光位相変調部、１５ａ・・ハーフミラー、１５ｂ・・フォトセル、
１５ｃ・・反射ミラー、１６・・ケース、１７ａ、１７ｂ・・光ケーブル、
１８ａ・・光源、１８ｂ・・位相差検出器、１８ｃ・・水位換算器、
２０・・水晶圧力センサ、２１・・ベローズ、２２・・支点、
２３・・揺動アーム、２４・・双音叉振動子、２５・・ケース、
２６・・発振回路、３１ａ、３１ｂ・・振動ビーム部、
３２ａ、３２ｂ・・固定部

Claims

外力に応じて共振周波数が変化する振動子と、圧力を力に変換して前記振動子に伝達する受圧機構とを備え、前記振動子の共振周波数から圧力を検知する圧力センサであって、
前記振動子の振動部分にミラー手段を配設するとともに、該ミラー手段にパルス変調光を照射するためのパルス変調光照射手段と、前記ミラー手段から反射したパルス変調光を受光して出力するための反射光出力手段とを備えたことを特徴とする圧力センサ。
前記振動子は、前記パルス変調光照射手段からのパルス変調光を受光した光電変換素子の起電力によって振動が励起されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記パルス変調光のパルス周期が、前記振動子の共振周波数の近傍を走査するように変化することを特徴とする請求項１または２記載の圧力センサ。
前記パルス変調光照射手段にパルス変調光を供給する光源と、該光源からのパルス変調光と反射光出力手段から出射したパルス変調光との位相差を検出する位相差検出手段とを設け、該位相差検出手段により検出した位相差より前記振動子の共振周波数を検知することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の圧力センサ。
前記振動子が双音叉振動子であって、前記ミラー手段を振動ビーム部に配設したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の圧力センサ。
前記振動子は、水晶を用いて構成した水晶振動子であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の圧力センサ。
請求項１乃至６のいずれかに記載の圧力センサを用いて構成した水位計であって、前記受圧機構が２つのベローズの差圧を前記双音叉振動子に伝達するよう構成したものであり、一方のベローズには水圧を、他方のベローズには体気圧を導入することにより水位を検知することを特徴とする水位計。