JP2006214805A

JP2006214805A - 雨量計

Info

Publication number: JP2006214805A
Application number: JP2005026304A
Authority: JP
Inventors: Norikazu Hashimoto; 能和橋本; Takayuki Shibuya; 孝之渋谷; Minoru Sakaimoto; 實堺本; Takashi Kishida; 隆志岸田
Original assignee: Yokogawa Denshikiki Co Ltd
Current assignee: Yokogawa Denshikiki Co Ltd
Priority date: 2005-02-02
Filing date: 2005-02-02
Publication date: 2006-08-17

Abstract

【課題】雨量計測精度の向上。
【解決手段】所定量の雨水の貯留及び排水が自在な少なくとも２つの貯水手段と、該貯水手段に前記所定量の雨水を順次供給する雨水供給手段と、該雨水供給手段によって雨水が供給されている貯水手段の貯水量を計測して外部に出力する制御手段とを具備する、という手段を採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、雨量計に関する。

周知のように、一般的な雨量計には転倒升方式が広く使用されている。この転倒升方式雨量計は、中央隔壁で仕切られた一対の升が隣接状態で形成された転倒升に対して、上方から雨水が滴下するようになっており、雨水の滴下による転倒升の転倒回数に基づいて雨量を計測するものである（下記非特許文献参照）。すなわち、転倒升方式雨量計は、一方の升に所定量の雨水が溜まると、その重量によって転倒升が転倒して他方の升に雨水が滴下し、当該他方の升に所定量の雨水が溜まるとその重量によって転倒升が転倒することを繰り返すことによって雨量を計測する。
http://www.yokogawa.co.jp/YDK/Products/Kankyo/index.htm#kisho

ところで、上記転倒升方式雨量計には、その計測原理に起因して計測精度の向上に限界がある。すなわち、転倒升は所定量の雨水が一方の升に溜まると、その重量によって転倒を開始するが、この転倒開始から雨水が他方の升に滴下される状態になるまでの期間、雨水は一方の升に滴下されることになるので、この期間に一方の升に滴下された雨水は転倒升の転倒動作に寄与せずに雨量計測における計測誤差となる。また、この計測誤差は、降雨が激しくなる程大きくなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、雨量計測精度のさらなる向上を目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明では、雨量計に係わる第１の解決手段として、所定量の雨水の貯留及び排水が自在な少なくとも２つの貯水手段と、該貯水手段に前記所定量の雨水を順次供給する雨水供給手段と、該雨水供給手段によって雨水が供給されている貯水手段の貯水量を計測して外部に出力する制御手段とを具備する、という手段を採用する。

また、雨量計に係わる第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、上部が開口した貯水手段が２つ設けられ、雨水供給手段は、雨水を前記貯水手段の上方に導く板状導水部材を備え、該板状導水部材の水平状態に対する傾斜角を変えることによっていずれか一方の貯水手段に雨水を供給する、という手段を採用する。

また、雨量計に係わる第３の解決手段として、上記第１の解決手段において、貯水手段は、上部が開口した所定形状の容器内を仕切板で少なくとも２つに区画することによって形成され、雨水供給手段は、雨水を前記貯水手段の上方に導く導水部材を備え、前記容器を水平面内で回転させることによりいずれかの貯水手段に雨水を供給する、という手段を採用する。

また、雨量計に係わる第４の解決手段として、上記第１〜３いずれかの解決手段において、制御手段は、貯水手段に貯留された雨水の水位を静電容量方式によって計測し、前記水位に基づいて貯水量を求める、という手段を採用する。

本発明によれば、所定量の雨水の貯留及び排水が自在な貯水手段を少なくとも２つ備え、
前記貯水手段に雨水を順次供給するので、雨水を漏らさず連続的に貯留することができる。
従って、転倒升方式雨量計のような計測原理に起因する計測誤差が無く、雨量計測精度を向上することが可能である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係わる雨量計の構成図（正面図）である。この図において、符号１は受水部、２は濾過器、３は導水板、４は回転支持部、５及び６は貯水器、７及び８は電磁弁、９及び１０は排水管、１１は円形台座、１２は固定用支持脚、１３は外筒、Ｒは雨水である。

図１のように、受水部１は本雨量計の最上部に設置され、上方の開口部が直径２０ｃｍの漏斗状になっており、雨水Ｒを取り込んで濾過器２へ供給するものである。受水部１には、落ち葉等の比較的大型の異物が内部に侵入しないように網等の簡単な濾過部材が設けられている。濾過器２は受水部１の直下に設置され、受水部１から供給された雨水Ｒを濾過し、導水板３に供給する。

導水板３は濾過器２から供給された雨水Ｒを貯水器５または貯水器６に供給するものである。導水板３は側面からみるとＵ字形状になっており、濾過器２から供給された雨水Ｒを漏らすことなく貯水器５または貯水器６に供給する。上記導水板３は回転支持部４によって回転自在に支持されており、回転支持部４を回転させることで導水板３の傾斜方向が変化する。すなわち、導水板３の傾斜方向を変えることによって、濾過器２から供給された雨水Ｒを貯水器５または貯水器６のどちらか一方を選択して供給することができる。
また、図示していないが、後述するように回転支持部４はステッピングモータと接続されており、このステッピングモータの動作によって導水板３の傾斜方向を制御している。

貯水器５及び６は有底の直管円筒形状をしており、導水板３の下部に一対に並んで設置され、導水板３から供給される雨水Ｒを貯留するものである。貯水器５は図２に示すように外円筒部５ａと内円筒部５ｂとから構成されており、内円筒部５ｂは外円筒部５ａの同心軸上に設けられている。雨水Ｒは上記外円筒部５ａと内円筒部５ｂとの間に貯留される。詳細は後述するが、外円筒部５ａと内円筒部５ｂとはステンレス等の耐腐食性導電材料から成り、各々電極として用いることで外円筒部５ａと内円筒部５ｂとの間に貯留された雨水Ｒの水位を静電容量として検出する構成となっている。また、貯水器５の底面は、外円筒部５ａと内円筒部５ｂとが電気的に導通するのを防ぐために絶縁材料が用いられている。貯水器６も上記の貯水器５と同様にステンレス等の耐腐食性導電材料から成る外円筒部６ａと内円筒部６ｂとから構成されている。

また、貯水器５の底面には排水口５ｃが設けられており、その出口側に電磁弁７が取り付けられている。さらに排水口５ｃには、電磁弁７を介して排水管９が取り付けられており、電磁弁７を開くことで貯水器５に貯留した雨水Ｒを外部へ排水する。同様に貯水器６の底面には排水口６ｃが設けられており、その出口側に電磁弁８及び排水管１０が取り付けられており、電磁弁８を開くことで貯水器６に貯留した雨水Ｒを排水管１０から外部へ排水する。

これら受水部１、濾過器２、導水板３、貯水器５及び６等は、図示していないが円形台座１１上に設置された柱状の固定支持部によって固定支持されている。また、円形台座１１の下面には本雨量計を固定する固定用支持脚１２が取り付けられている。さらに、受水部１、濾過器２、導水板３、貯水器５及び６等を収納するように中空円筒状の外筒１３が円形台座１１に着脱自在に装着されている。
上記のような本雨量計の構成要素の内、受水部１、濾過器２、導水板３及び回転支持部４は雨水供給手段を構成し、貯水器５及び６は貯水手段を構成している。

また、図示していないが、本雨量計には、貯水器５及び６に貯留した雨水Ｒの水位を静電容量として検出し、さらに上記ステッピングモータ、電磁弁７及び８の動作を制御する制御回路（制御手段）が備えられている。以下では本雨量計の制御系の構成について説明する。

図３は、本雨量計の制御系ブロック図である。図３において図１と同一の構成要素については同一符号を付して説明を省略する。この図において、符号２０は制御回路であり、静電容量測定部２０ａ、制御部２０ｂ、記憶部２０ｃ及び計測結果出力部２０ｄから構成されている。３０は回転支持部４と接続されているステッピングモータである。

図３において、静電容量測定部２０ａは、貯水器５及び６の外円筒部５ａ及び６ａと内円筒部５ｂ及び６ｂとにリード線で接続されており、上記外円筒部５ａ及び６ａと内円筒部５ｂ及び６ｂとを電極として用いて当該電極間の静電容量を測定するもので、貯留した雨水Ｒの水位を静電容量として検出し、制御部２０ｂに出力する。

詳細は後述するが、制御部２０ｂは、静電容量測定部２０ａから入力された静電容量の値に基づいて雨水Ｒの水位を求めると共に貯水量を算出し、さらにこの貯水量を雨量に換算する。その結果を雨量計測結果として記憶部２０ｃに出力して記憶させると共に計測結果出力部２０ｄに出力する。計測結果出力部２０ｄは、上記雨量計測結果を例えばネットワークを介して外部の気象関連機関へ出力する。

一方、制御部２０ｂは、雨水Ｒの水位に基づきステッピングモータ３０を駆動させるモータ駆動信号を出力してステッピングモータ３０を駆動し、回転支持部４を回転させて導水板３の傾斜方向を制御する。また、制御部２０ｂは電磁弁７及び８に開閉信号を出力して電磁弁７及び８の開閉動作を制御し、貯水器５及び６に貯留した雨水Ｒを排水する。

上記のように構成された本雨量計の動作については、制御部２０ｂが全てを制御している。以下では、制御部２０ｂの動作について図４を用いて説明する。

図４は、制御部２０ｂの動作フローチャート図である。ここで、初期状態として貯水器５及び６ともに雨水Ｒは貯留しておらず、最初は貯水器５から雨水Ｒを貯留していくとする。また、１時間毎の雨量を計測するものとする。

まず、制御部２０ｂは、制御変数ｎ＝０とし（ステップＳ１）、また初期水位Ｈ_０＝０を記憶部２０ｃに記憶する（ステップＳ２）。さらに制御部２０ｂは、計測開始時刻Ｔ_０を記憶部２０ｃに記憶する（ステップＳ３）。

次に、制御部２０ｂは制御変数ｎをインクリメントする（ステップＳ４）。そして、制御部２０ｂは、静電容量測定部２０ａから貯水器５の外円筒部５ａと内円筒部５ｂとの間の静電容量Ｃを取得する（ステップＳ５）。この静電容量Ｃは、貯水器５の外円筒部５ａと内円筒部５ｂとの間に貯留した雨水Ｒを誘電体とした静電容量Ｃ１と、雨水Ｒの水面から貯水器５の最上面までの空間、すなわち空気を誘電体とした静電容量Ｃ２との和で表される。水の比誘電率はおよそ８０なので静電容量Ｃは貯水器５の外円筒部５ａと内円筒部５ｂとの間に貯留した雨水Ｒの水位に比例して大きくなることになる。従って、静電容量Ｃを測定することで貯水器５に貯留した雨水Ｒの水位を求めることができる。

このように静電容量を利用して水位を求める場合には、水の比誘電率の温度依存性及び近年の酸性雨の影響による比誘電率の変化等が誤差要因となるが、以下の説明では、これらの誤差要因を補正済みとする。

上記の説明より、水位換算係数Ｋ１を予め求めて記憶部２０ｃに記憶しておけば、この水位換算係数Ｋ１を静電容量Ｃに乗じることで水位に換算することができる。制御部２０ｂは、ステップＳ５で貯水器５の静電容量Ｃを取得すると、記憶部２０ｃから水位換算係数Ｋ１を読み出して水位Ｈ_ｎ（ここではＨ_１）＝Ｋ１・Ｃによって、貯水器５に貯留した水位Ｈ_ｎ（＝Ｈ_１）を算出する（ステップＳ５ａ）。

次に、制御部２０ｂは、この水位Ｈ_１と予め記憶部２０ｃに記憶されている貯水器５の最大許容水位Ｈ_ｍａｘとを比較し（ステップＳ６）、水位Ｈ_１が最大許容水位Ｈ_ｍａｘより小さければ現在の時刻Ｔ_ｎ（＝Ｔ_１）を取得し、記憶部２０ｃから計測開始時刻Ｔ_０を読み出してＴ_ｎ−Ｔ_ｎ−１（＝Ｔ_１−Ｔ_０）を算出してその結果が１時間未満であればステップＳ５に戻る（ステップＳ７）。すなわち、１時間に達する間に貯水器５に貯留される雨水Ｒの水位Ｈ_ｎを常に監視しているのである。

また、ステップＳ７において、Ｔ_１−Ｔ_０が１時間に達した場合、制御部２０ｂは記憶部２０ｃから初期水位Ｈ_０を読み出して１時間当たりの水位変化ΔＨ＝Ｈ_ｎ−Ｈ_ｎ−１（＝Ｈ_１−Ｈ_０）を算出する（ステップＳ８）。

上記の水位変化ΔＨから１時間に貯水器５に貯留した雨水Ｒの貯水量を求めることができる。この貯水量が１時間当たりの雨量を示すものであるが、通常雨量とはある時間内に直径２０ｃｍの面積に降った雨水の量で表されるので、上記貯水量を直径２０ｃｍの面積に降ったものとして換算する必要がある。その換算係数Ｋ２（水位変化ΔＨから貯水量を算出するための係数も含む）を予め記憶部２０ｃに記憶しておけば、水位変化ΔＨに換算係数Ｋ２を乗じることで１時間当たりに直径２０ｃｍの面積に降った雨の雨量を求めることができる。

制御部２０ｂは、ステップＳ８で水位変化ΔＨを求めると、記憶部２０ｃから換算係数Ｋ２を読み出して、雨量ＹをＹ＝Ｋ２・ΔＨによって算出する（ステップＳ９）。そして、時刻Ｔ_ｎ（＝Ｔ_１すなわちＴ_ｎ−１から１時間後の時刻）、雨量Ｙ及び水位Ｈ_ｎ（＝Ｈ_１）を記憶部２０ｂに記憶し（ステップＳ１０）、時刻Ｔ_ｎ及び雨量Ｙを計測結果出力部２０ｄに出力する（ステップＳ１１）。計測結果出力部２０ｄは、上記のようにして得られた時刻Ｔ_ｎ及び雨量Ｙをネットワークを介して外部の気象関連機関に出力する。

制御部２０ｂはステップＳ１１の動作を終えると、ステップＳ４に戻り、制御変数ｎをインクリメントし、ステップＳ５以降の動作を行う。ここで、ステップＳ５〜Ｓ７において１時間経過しても未だ水位Ｈ_ｎ（＝Ｈ_２）が最大許容水位Ｈ_ｍａｘに達していないとすると、制御部２０ｂはステップＳ８〜Ｓ１１の動作を行い、１時間毎の時刻Ｔ_ｎ、雨量Ｙ及び水位Ｈ_ｎを時系列的に記憶部２０ｃに順次記憶し、時刻Ｔ_ｎ及び雨量Ｙを計測結果出力部２０ｄへ出力する。

では、次に制御変数ｎ＝３となった時にステップＳ６で水位Ｈ_ｎ（＝Ｈ_３）が最大許容水位Ｈ_ｍａｘに達したとする。この場合、制御部２０ｂはステッピングモータ３０を駆動させて回転支持部４を回転させることで導水板３の傾斜方向を貯水器６側へ素早く切り替える（ステップＳ１２）。すると、雨水Ｒは漏れることなく連続的に貯水器６に供給され貯留することになる。そして、制御部２０ｂは貯水器５の電磁弁７を一定時間開いて貯水器５に貯留した雨水Ｒを排水管９から排水する（ステップＳ１３）。

その後、制御部２０ｂは１時間経過するまで待機し（ステップＳ１４）、１時間経過後、静電容量測定部２０ａから貯水器６の外円筒部６ａと内円筒部６ｂとの間の静電容量Ｃを取得する（ステップＳ１５）。そして制御部２０ｂは、記憶部２０ｃから水位換算係数Ｋ１を読み出して貯水器６に貯留した雨水Ｒの水位Ｈ_ｎ（＝Ｈ_３）＝Ｋ１・Ｃを算出し（ステップＳ１６）、水位変化ΔＨ＝Ｈ_ｎ＋（Ｈ_ｍａｘ−Ｈ_ｎ−１）、すなわちＨ_３＋（Ｈ_ｍａｘ−Ｈ_２）を求める（ステップＳ１７）。このように貯水器が切り替えられた直後においては水位変化ΔＨを求める式はステップＳ８とは異なる。

続いて制御部２０ｂは、記憶部２０ｃから換算係数Ｋ２を読み出して雨量Ｙ＝Ｋ２・ΔＨを算出し（ステップＳ１８）、時刻Ｔ_ｎ（＝Ｔ_３）、雨量Ｙ及び水位Ｈ_ｎ（＝Ｈ_３）を記憶部２０ｃに記憶し（ステップＳ１９）、時刻Ｔ_ｎ及び雨量Ｙを計測結果出力部２０ｄに出力する（ステップＳ１１）。

その後は、制御部２０ｂはステップＳ４へ戻り、次の貯水器の切り替えが行われるまでステップＳ４〜Ｓ１１の動作を行うことになる。すなわち、一方の貯水器が満水となったら即座に他方の貯水器に雨水を取り込み、一方の貯水器に溜まった雨水は排水する。これを繰り返すことによって連続的に雨量を計測するのである。

以上のように、本雨量計によれば、２つの貯水器５及び６を交互に使用して雨水Ｒを連続的に貯留して雨量を計測するので、転倒升方式雨量計のような計測原理上の計測誤差も無く、高精度に雨量計測を行うことができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。

（１）上記実施形態では、貯水器５及び６の２つの貯水器使用したが、これに限らず、
複数の貯水器を用いて、それらに順次雨水Ｒを貯留するようにしても良い。

（２）上記実施形態では、貯水器５及び６の底面は水平であったが、排水を効率良く行うために、底面を排水口５ｃ及び６ｃに向かってテーパ形状にしても良い。この場合、雨量を算出する際に、このテーパ形状を考慮して補正する必要がある。

（３）上記実施形態では、貯水器５及び６の２つの貯水器使用したが、これに限らず、図５に示すように１つの貯水器４０の中央にしきり板４１を設けることで貯水部４２と貯水部４３とに分け、雨水Ｒを交互に供給するようにしても良い。この場合、導水板３を用いる方法に替えて、雨水Ｒの滴下方向は固定にして貯水器４０自体に回転機構を設け、貯水器４０を水平面内で回転させることによって雨水Ｒを貯水部４２と貯水部４３とに交互に供給しても良い。

（４）上記実施形態では、貯留した雨水Ｒの静電容量を測定することで水位を検出したが、これに限らず、磁歪式水位センサ、水晶水位センサ、圧力式水位センサ、フロート式水位センサ及び超音波式水位センサ等を用いて水位を検出しても良い。

（５）上記実施形態の制御部２０ｂの動作説明では、１時間単位の雨量を計測していたが、この計測時間間隔は任意に設定可能にしても良い。また、最大許容水位Ｈ_ｍａｘも任意に設定可能にしても良い。

本発明の実施形態に係わる雨量計の構成図（正面図）である。本実施形態における貯水器５及び６の詳細図である。本実施形態における制御ブロック図である。本実施形態における制御部２０ａの動作フローチャート図である。本実施形態の貯水器に関する変形例を示す図である。

符号の説明

１…受水部、２…濾過器、３…導水板、４…回転支持部、５、６…貯水器、７、８…電磁弁、９、１０…排水管、１１…円形台座、１２…固定支持脚、１３…外筒、２０…制御回路、２０ａ…静電容量測定部、２０ｂ…制御部、２０ｃ…記憶部、２０ｄ…計測結果出力部、３０…ステッピングモータ、Ｒ…雨水

Claims

所定量の雨水の貯留及び排水が自在な少なくとも２つの貯水手段と、
該貯水手段に前記所定量の雨水を順次供給する雨水供給手段と、
該雨水供給手段によって雨水が供給されている貯水手段の貯水量を計測して外部に出力する制御手段と
を具備することを特徴とする雨量計。
上部が開口した貯水手段が２つ設けられ、
雨水供給手段は、雨水を前記貯水手段の上方に導く板状導水部材を備え、該板状導水部材の水平状態に対する傾斜角を変えることによっていずれか一方の貯水手段に雨水を供給することを特徴とする請求項１記載の雨量計。
貯水手段は、上部が開口した所定形状の容器内を仕切板で少なくとも２つに区画することによって形成され、
雨水供給手段は、雨水を前記貯水手段の上方に導く導水部材を備え、前記容器を水平面内で回転させることによりいずれかの貯水手段に雨水を供給する
ことを特徴とする請求項１記載の雨量計。
制御手段は、貯水手段に貯留された雨水の水位を静電容量方式によって計測し、前記水位に基づいて貯水量を求めることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の雨量計。