JP2006242608A - 光学式水位計 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐雷性、耐ノイズ性にすぐれ、水中への配線を低減した水位計を提供する。
【解決手段】 水中に投下されると共に水流入穴から水が流入する中空部を設けた水圧検出器のハウジングと、前記中空部を囲む上面に下端面が露出するように前記ハウジングに取り付けられるロッドレンズと、前記ロッドレンズの下端面と空隙をあけて水密に封止すると共に前記水流入部から流入する水圧により変位するダイヤフラムと、前記ロッドレンズに接続される光ファイバと、前記光ファイバに接続する光源と、前記ダイヤフラムの変位量に応じた反射光強度と前記光源からの発射光強度とを前記光ファイバから検出する光強度センサと、前記光強度センサで検出される反射光強度と発射光強度とからパワー比を演算し、予め測定している反射光強度と入射光強度とのパワー比と水圧のロッドレンズのキャリブレーションカーブを基準として水位を求める演算手段を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、上水、下水、河川、地下水等の水位測定に用いられる光学式水位計に関し、詳しくは、水中への投げ込み式で、水圧を光ファイバーを利用して検出することにより、水位を計測するものである。

従来、この種の投込み圧力式の水位計として、本出願人は特開平１１−２０１８００号公報で、水位を測定する水の水圧が加えられる圧力検出器と、該圧力検出器内外の差圧に応じて伸縮する溶接金属ベローズと、該ベローズと連動して直線移動する鉄心と、該鉄心の位置に応じて出力が変化するコイルを有する差動トランス型の差圧検出手段を備え、該差圧検出手段で検出する圧力差から数位を測定する水圧計を提供している。

前記水位計は、水中に投入される圧力検出器に信号線となる電線を配線する必要があるが、電線を用いた場合、耐雷性、耐ノイズ性に改善の余地があった。また、電線はシールドケーブルを使ったり、耐電素子で保護しているが万全と言えない。また、防爆を考慮すると、従来の水位センサは電気を使っているため、防爆的にも重装備な構造としなければ、それに耐えられない問題もあった。

特開平１１−２０１８００号公報

本発明は前記した問題に鑑みてされたもので、水中投込み式圧力式の水位計としながら、水中に投込まれる水圧検出器への電気配線を不要とし、耐雷性、耐ノイズ性を高めると共に、更に防爆機能も最高レベルに備える水位計とすることを課題としている。
さらに、電線と接続されるコネクタや避雷素子等の電気部品も無くして、構成を簡単化しながら、測定精度と信頼性を高めることを課題としている。

前記課題を解決するため、本発明は、水中に投下されると共に水流入穴から水が流入する中空部を設けた水圧検出器のハウジングと、
前記中空部を囲む上面に、下端面が露出するように前記ハウジングに取り付けられるロッドレンズと、
前記ロッドレンズの下端面と空隙をあけて水密に封止すると共に、前記水流入部から流入する水圧により変位するように前記ハウジングに取り付けたベローズあるいはダイヤフラムと、
前記ハウンジグの上面から突出させた前記ロッドレンズに接続される光ファイバと、
前記光ファイバに接続して、前記ロッドレンズを介して前記ベローズあるいはダイヤフラムへと光を発射する光源と、
前記ベローズあるいはダイヤフラムの変位量に応じた反射光強度と、前記光源からの発射光強度とを前記光ファイバから検出する光強度センサと、
前記光強度センサで検出される反射光強度と発射光強度とからパワー比を演算し、予め測定している反射光強度と入射光強度とのパワー比と水圧のロッドレンズのキャリブレーションカーブを基準として、逆演算で水位を求める演算手段を備えていることを特徴とする光学式水位計を提供している。

本発明では、水位の変化により生じる前記ベローズまたはダイヤフラムの水圧変形が、ロッドレンズとの面間距離の変化を起し、これが光強度センサで検出される反射光強度と発射光強度の光強度比として測定できることを利用している。かつ、予め測定している光強度比と水圧のロッドレンズのキャリブレーションを基準として、水位を逆演算で求めている。

前記ロッドレンズは、屈折率が円筒の半径方向に二乗分布で変化する構成としているもので、該ロッドレンズとしては石英のロッドレンズが好適に用いられる。
本発明では、光源からの発射光を、光ファイバ、ロッドレンズを光導波路としてベローズあるいはダイヤフラムに光を入射しており、其の際、ロッドレンズを用いることで、ＬＥＤ光源から光ファイバを通して導光される光を集光してベローズあるいはダイヤフラムに入射させることができる。ベローズあるいはダイヤフラムに入射された光はロッドレンズへ反射される。其の際、ロッドレンズに対してベローズあるいはダイヤフラムが水位により近接するに従い、反射光強度／発射光強度（パワー比）は大となり、図６に示すような特性を示す。ロッドレンズのピッチ（Ｐ＝０．２５〜Ｐ＝０．３７５）によって検出範囲は異なるが、図６に示すように凸型の特性を示し、頂点を境に左スロープか右スロープを使うことによって パワー比は単調増加だったり、単調減少だったりするが、パワー比と距離との関係は一義的に決まる。このロッドレンズのパワー比の特性を使って、予め水位とダイヤフラム変形とパワー比変化の関係（キャリブレーションカーブ）を求めておけば、ベローズあるいはダイヤフラムが水位に応じて変位してロッドレンズとの距離が変化すると、反射光強度が変化し、パワー比が変化するので、上記キャリブレーションカーブの特性から水位を逆に求める事が出来る。
この際、右スロープを使うか左スロープを使うかは、事前にゼロ水位の時に、ダイヤフラム（あるいはベローズ）とロッドレンズの離隔距離（オフセット）を事前にどう設定しておくかだけで決まる。ダイヤフラム（あるいはベローズ）の変形時にロッドレンズとの衝突を避けるためには、十分な離隔距離をもっておく必要があり、右スロープを使うことが望ましい。
なお、前記ロッドレンズのピッチとは、図７に示すように、先端の光ファイバからロッドレンズに放射された光源の振幅の１周期を１ピッチとし、０．２５ピッチとは四分の一周期を指すものである。

前記反射光強度および発射光強度は光ファイバに取り付けたフォットダイオード等からなる光強度センサで検出している。

このように、本発明では光源からの光を光ファイバ、ロッドレンズを光導波路としてダイヤフラムあるいはベローズに入射して、対向するダイヤフラムあるいはベローズの反射面から反射させ、ダイヤフラムあるいはベローズが水位に応じて変位すると反射光強度が変化することを利用する光学式測定とし、被測定液体を一本の光ファイバだけで発光と受光の両方をガイドして、十分被測定液体から離して光電気変換が可能である。
これにより途中の雷や電気ノイズを避ける事が出来、更に可燃性の液体からも十分離す事が可能であり、危険域で電気を使わず信頼性の高い測定が出来る。
よって、電線を途中電路に配線する必要がなくなり、耐雷性、耐ノイズ性、防爆性を飛躍的に向上させることができる。

前記ロッドレンズと空隙をあけて対向する前記ベローズの底板あるいはダイヤフラムは、入射光を反射させる反射ミラーとして機能させる必要があるため、鏡面仕上げのステンレス薄板等か金属薄板が好適に用いられ、該金属製のベローズあるいはダイヤフラムは前記ハウジングに溶接固定していることが好ましい。
前記ステンレスとしては、特許文献１で提示したＣｒ−Ｎｉ−Ｍｏタイプの析出硬化性セミオーステナイト系ステンレスが好適に用いられる。
なお、ダイヤフラム、ベローズの底板の素材自体が反射ミラーとならない素材から形成している場合には、ロッドレンズとの対向面に反射ミラーとなる膜を設けてもよい。
ベローズの底板あるいはダイヤフラムとして、前記のように薄金属板からなる高感度のバネ板とすると、水圧の変化に対する高精度に変位させることができ、例えば、１〜１０μｍ／ｋＰａの変位が得られるようにしている。

また、光源としてはＬＥＤ光源を用いることが好ましい。
さらに、前記ロッドレンズのピッチを０．１〜０．５または０．６〜１．０とすることが好ましい。
また、前記ハウンジングの中空部を囲む下面の中央に水流入穴が設けられ、かつ、ハウジング下面と前記ベローズの底板あるいはダイヤフラムとの間の水流入部の上下寸法は５〜２０ｍｍとし、かつ、ロッドレンズの下端面とベローズの底板あるいはダイヤフラムの対向面間の寸法は、４５００〜１００μｍとすることが好ましい。これはロッドレンズのピッチの選択と関係して決められる。例えば図６でも分かる様に、ロッドレンズのピッチが０．２５ｍｍの場合、右スロープであれば、４５００μｍから３０００μｍの範囲で測定できる。

本発明の水位計は、水中に投込まれる部分は光学系として電線を不要としているため、簡単な構成とすることができ、かつ、耐雷性、耐ノイズ性を高めることができる。また、水圧の変動を反映するベローズあるいはダイヤフラムの変位となり、これを反射光強度として検出しているため、発射光強度と反射光強度とのパワー比として評価すれば、元光源の経時変化に依存しない高精度の測定を行うことが可能である。その結果、後述するように、本発明を試験装置で実験した結果、測定のバラツキを±０．２％以下とすることができる。

以下、本発明の水位計の実施形態を図面を参照して説明する。
図１および図２は、本発明の水中投込み式の水位計１を示し、水中Ｗに投入される水圧検出器２は、中空部３を有するボックス形状のハウジング４を備え、その底壁に水流入穴４ａを設けている。詳細には、上面開口の凹状のハウジング本体４−１と、上壁を構成する蓋４−２とからなり、ハウジング本体と蓋とをボルトＢで結合している。
図２に示すように、前記ハウジング４の蓋４−２にはロッドレンズ挿入用の貫通穴４ｂを備え、石英からなるロッドレンズ５を垂直方向に挿入し、該ロッドレンズ５の下端面５ａを貫通穴４ｂの下端開口に位置させ、中空部３の上面３ａの中央に向けて露出させている。

中空部３の上面３ａにはダイヤフラム６の周縁６ａを溶接固定し、ダイヤフラム６と上面３ａとの間に水密とした微小空間Ｓ１を設け、該微小空間Ｓ１内でロッドレンズ５の下端面５ａとダイヤフラム６の中央部とを対向配置させている。ダイヤフラム６の下面側と中空部３の下面３ｂとの間は空間Ｓ２は水流入穴４ａからの水流入部としている。

前記ロッドレンズ５は屈折率が円筒の半径方向に二乗分布で変化する構成としており、該ロッドレンズ５のピッチは０．２５〜０．４５としている。
前記ダイヤフラム６は厚さ３００μｍとしたステンレス製の薄板から形成し、本実施形態では３００ＫＰａの圧力が負荷されると０．１ｍｍの変位が得られるものとしている。
前記ダイヤフラム６の上面とロッドレンズ５の下端面の間の寸法は２５０μｍ（ゼロ水位）〜１５０μｍ（最大水位）に設定し、前記ダイヤフラム６の下面と中空部の下面３ｂの寸法（空間Ｓ２の上下寸法）は５ｍｍに設定している。

図１に示すように、ロッドレンズ５の上端はハウジング４の蓋４−２より突出させ、光ファイバ１０の下端と接続し、該光ファイバ１０はハウジング４の蓋４−２に接続する固定スリーブ１１内を挿通させ、光ファイバ１０を固定している。光ファイバ１０は固定スリーブ１１を通って数百メートル（本実施形態では３００ｍｍ）とし、先端を水中より大気中に位置する長さとしている。この下端をロッドレンズ５に接続した光ファイバ１０の先端にはＬＥＤ光源１２を接続している。

図１に示すように、前記光ファイバ１０の水中から引き出される先端側の位置に、カップラ１４を取り付けて光ファイバ１０を通る光を光源からの発射光と、ダイヤフラム６からの反射光とに分岐している。この分岐された発射光強度を検出する測定用のフォトダイオード１５と反射光強度を検出するリファレンス用のフォトダイオード１６を設けている。
前記フォトダイオード１５、１６はフォトセンサアンプ１７、１８に夫々接続し、該フォトセンサアンプ１７、１８をＡ／Ｄ−Ｄ／Ａ変換ボード１９に接続し、デジタル信号に変換してコンピュータ２０と接続している。
前記コンピュータ２０で、発射光強度と反射光強度の比からパワー比を演算し、予め求めている図８（Ｂ）に示すキャリブレーションカーブによって、測定されたパワー比から水位を逆演算して求めるものである。

前記構成とした水位計１においては、ハウジング４の空間Ｓ２に流入する水圧に応じてダイヤフラム６が上下に変位する。ＬＥＤ光源１２の発射光は光ファイバ１０、ロッドレンズ５を通してダイヤフラム６に入射され、鏡面仕上げのステンレス製のダイヤフラム６から反射される。この反射光の強度はダイヤフラム６に負荷される水圧が上昇してロッドレンズ５との距離が小さくなる程、反射光強度が増加し、距離変化が反射光強度の変化に変換される。この反射光強度はロッドレンズ５、光ファイバ１０を導波路として出射され、この出射光がカップラ１４で発射光と分岐されてフォトダイオード１６で検出される。かつ、カップラ１４で分岐された発射光強度もフォトダイオード１５で検出され、フォトダイオード１５と１６とで検出された反射光強度と発射光強度は電圧値に変換されて、それぞれフォトセンサアンプ１７、１８からＡ／Ｄ−Ｄ／Ａ変換ボード１９、コンピュータ２０へと送信される。コンピュータ２０で、発射光強度と反射光強度の比からパワー比を演算し、予め求めている図８（Ｂ）に示すキャリブレーションカーブを基準として、水位を逆演算して求めている。

図３乃至図５は第２実施形態を示し、第１実施形態との相違点は、ダイヤフラムに変えて、金属ベローズ３０を用いている点である。
該金属ベローズ３０は、断面を波状としたステンレス製の円環板３１を上下に複数配置し、上下の円環板の内周部と外周部を交互に溶接して上下に伸縮するバネ性をもたせており、上端の円環板３１ａの外周縁をハウジング４の蓋４−２に溶接し、下端の円環板３１ｂに鏡面仕上げのステンレス製の底板３２を溶接し、該底板３２の中央を前記ロッドレンズ５の下端面に所要距離をあけて対向配置させている。

他の構成は第１実施形態と同様であるため、同一符号を付して説明を省略する。
第２実施形態においても、ＬＥＤ光源１２から光ファイバ１０、ロッドレンズ５を導波路としてベローズ３０の底板３２に入射した光が底板３２から反射する。反射光は第１実施形態と同様にロッドレンズ５、光ファイバ１０を導波路として出射され、フォトダイオード１６で検出され、第１実施形態と同様にコンピュータ２０で水位が求められる。

いずれの実施例においても、ロッドレンズが配置される空隙に、エヤ-チューブなどで大気圧を導入することで、大気圧変化の影響を受けない測定も従来の水位計と同じように実現できる。

「実施例１」
前記第１実施形態の金属ダイヤフラムを備えた試験装置を設けた。該試験装置ではハウジング３の中空部Ｓ２に０ＫＰａ→１０ＫＰａの圧縮空気を導入できるようにした。ダイヤフラムは２００ＫＰａの圧力が負荷されると２００μｍ（１０ＫＰａでは約２０μｍ）上方へ変位する設定とした。ロッドレンズ５はピッチを０．３７５とし、該ロッドレンズの下端は対向するダイヤフラムから８５０μｍ上方に固定した。ＬＥＤ光源は波長１．５５μｍ帯のＬＥＤを用いた。

測定試験時には、ダイヤフラムへの印加圧力は０→２００ＫＰａとに変化させて、圧力上昇と下降とを１０分毎に１０ＫＰａ刻みで２０段階で上昇と下降を１サイクルとして１０サイクルを行った。その結果を図８（Ａ）（Ｂ）に示す。
前記図８（Ｂ）から、測定ばらつきは±０．２％以下で高精度に測定できることが確認できた。

本発明の水位計は、水中への投込み式であるため、上水、下水、河川、地下水等の水位測定に簡単に用いらることができる。かつ、検出器のロッドレンズと光ファイバを接続しているため、耐雷性、耐ノズル性も飛躍的に向上させることができ、水位計の設置場所として悪条件下でも使用可能となる。

本発明の第１実施形態の全体構成図である。 図１の要部拡大図である。 第２実施形態の全体構成図である。 図３の要部拡大図である。 ベローズの拡大図である。 ロッドレンズの距離特性を示すグラフである。 ロッドレンズのピッチ概念を示す図面である。 （Ａ）は実施例１で使用したロッドレンズの特性を示すグラフである。（Ｂ）は実施例１で検出した圧力とパワー比とばらつきを示すグラフである。

符号の説明

１ 水位計
３ 中空部
４ ハウジング
４ａ 水流入穴
５ ロッドレンズ
６ ダイヤフラム
１０ 光ファイバ
１２ ＬＥＤ光源
１４ カップラ
１５，１６ フォトダイオード
２０ コンピュータ
３０ ベローズ

Claims (4)

1. 水中に投下されると共に水流入穴から水が流入する中空部を設けた水圧検出器のハウジングと、
   前記中空部を囲む上面に、下端面が露出するように前記ハウジングに取り付けられるロッドレンズと、
   前記ロッドレンズの下端面と空隙をあけて水密に封止すると共に、前記水流入部から流入する水圧により変位するように前記ハウジングに取り付けたベローズあるいはダイヤフラムと、
   前記ハウジングの上面から突出させた前記ロッドレンズに接続される光ファイバと、
   前記光ファイバに接続して、前記ロッドレンズを介して前記ベローズあるいはダイヤフラムへと光を発射する光源と、
   前記ベローズあるいはダイヤフラムの変位量に応じた反射光強度と、前記光源からの発射光強度とを前記光ファイバから検出する光強度センサと、
   前記光強度センサで検出される反射光強度と発射光強度とからパワー比を演算し、予め測定している反射光強度と入射光強度とのパワー比と水圧のロッドレンズのキャリブレーションカーブを基準として水位を求める演算手段を備えていることを特徴とする光学式水位計。
2. 屈折率が円筒の半径方向に二乗分布で変化する前記ロッドレンズは石英ロッドレンズとし、前記ベローズの底板あるいはダイヤフラムは反射光を発生するステンレス等の金属薄板から形成し、かつ、前記光源としてＬＥＤを用いている請求項１に記載の光学式水位計。
3. 前記ロッドレンズのピッチ長を０．１〜０．５または０．６〜１．０としている請求項１または請求項２に記載の光学式水位計。
4. 前記ロッドレンズの下端面と前記ベローズの底板あるいはダイヤフラムの対向面間の寸法は、１００〜４５００μｍとしている請求項１乃至請求項３のいずれか１項の記載の光学式水位計。

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